Reactive stimuli-responsive poly(vinyl lactam) copolymers for design of nanogels based protein and drug carriers

Peng, Huan; Schwaneberg, Ulrich; Pich, Andrij

doi:35496

Reactive stimuli-responsive poly(vinyl lactam) copolymers for design of nanogels based protein and drug carriers = Reaktive stimulationsresponsive Poly(vinyllactam)-Copolymere zur Ausbildung nanogel-basierter Protein- und Wirkstoffträger

Peng, Huan

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Eng. Huan Peng

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xiv, 261 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH* ; Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-09-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-067654
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668438/files/668438.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668438/files/668438.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
nanogel (frei) ; reactive-polymer (frei) ; protein (frei) ; drug-delivery (frei) ; stimuli (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese, Charakterisierung und Anwendung von (biohybriden) Nanogelen aus wasserlöslichen Poly(N-Vinyllactam)-Copolymeren mit reaktiven Seitengruppen. RAFT (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) Copolymerisationen von Methacrylsäure-N-hydroxysuccinimidester mit N-Vinylamid-Derivaten (N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylpiperidon und N-Vinylcaprolactam) wurden erfolgreich durchgeführt, wobei Methyl-2-(Ethoxycarbonothioylthio)-propanoat als Kettenübetragungsreagenz (CTA) diente.Biohybride Nanogele wurden durch chemisches Vernetzen der wasserlöslichen reaktiven Copolymeren poly(N-Vinylpyrrolidon-co-N-Methacryloxysuccinimid) mit Proteinen wie „enhanced green fluorecent protein“ (EGFP) und Cellulase aus einer Wasser-in-Öl-Emulsion hergestellt. So wurden biofluoreszierende Nanogele erhalten, die mit unterschiedlichen Mengen an EGFP vernetzt waren. Die biokatalytische Aktivität der Cellulase-konjugierten Nanogele (CNG) kann über die Vernetzungsdichte eingestellt werden. Circulardichroismus-Spektren (CD) und Untersuchungen des Fluoreszenz-Resonanzenergietransfer (FRET) geben Aufschluss über den Mechanismus, der dem Einfluss der Vernetzungsdichte auf die katalytische Aktivität der Biohybridkolloide zu Grunde liegt. Die Biohybridnanogele zeigten nach dreiwöchiger Lagerung bei Raumtemperatur erhöhte Stabilität im Vergleich zur freien Cellulase.Thermo- und redoxsensitive Nanogele aus N-Vinylcaprolactam (VCL) und N-Succinimidylmethacrylat (Suma) vernetzt mit Diallyldisulfid wurden nach einem einfachen und direkten Verfahren hergestellt, wobei der Teilchendurchmesser zwischen 200 nm und 1.1 µm eingestellt werden konnte. Doxorubicin (DOX) wurde durch Kopplung mit Succinimidgruppen bei milden Bedingungen kovalent an das Nanogelnetzwerk gebunden um „Prodrug“-Nanogele zu erhalten. Das System zeigte bei intracellularen Studien ein nachhaltiges Freisetzungsprofil und eine hohe anti-Tumoraktivität.Eine Reihe neuer mit Pyridyldisulfid (PDS) funktionalisierter statistischer N-Vinyllactamcopolymerer wurde mittels RAFT-Polymerisation hergestellt. Die PDS-funktionalisierten reaktiven Polymere sind modifizierbar durch eine Reihe von Thiolverbindungen über eine Thiol-Disulfid Austauschreaktion bei milden Bedingungen. Kontaktwinkelmessungen und Untersuchungen mittels Fluoreszenzmikroskopie zeigten, dass reaktive Filme PDS-funktionalisierter Copolymerer ein einfaches, direktes und umweltfreundliches Oberflächen-Ingenieurwesen in wässriger Lösung ermöglichen, das die Zellanhaftung und das Wachstum kontrolliert und damit die Bedingung für spezielle Anwendungen erfüllt.Redox-sensitive polymere Nanogele wurden durch in situ Vernetzung PDS-funktionalisierter Poly(N-Vinylpyrrolidone) synthetisiert. Cellulase als repräsentatives Protein wurde in den Nanogelen (PNG1 und PNG2) verkapselt. Die enzymatische Aktivität wurde durch die Verkapselung im Nanogel stark reduziert, während sie in 10 mmolarer DTT-Lösung rasch anstieg. FRET-Experimente belegten, dass die wiedergewonnene enzymatische Aktivität wesentlich auf die durch Reduktion hervorgerufene Spaltung des Disulfidnetzwerks bewirkt wird, die letztlich zur Freisetzung des Proteins führt.Eine Reihe wohldefinierter, mit primären Aminogruppen funktionalisierter statistischer Copolymerer aus N-Vinyllactam Monomeren und N-Vinylformamid (VFA) wurden erfolgreich über eine RAFT-Polymerisation hergestellt. Wasserlösliche reaktive Copolymere mit primären Aminogruppen wurden durch kontrollierte Hydrolyse der VFA-Komponenten in alkalischem Medium erhalten. Funktionelle Nanogele wurden in W/O-Emulsionen durch Kopplung der reaktiven Aminogruppen mit mit Diacrylat funktionalisiertem Poly(Ethylenglykol) über eine Michael-Addition dargestellt.Bio-abbaubare Nanogele aus mit primären Aminogruppen funktionalisierten poly(N-Vinylpyrrolidon)-Copolymeren wurden in Wasser-in-ÖL Emulsionen durch Michael-Addition mit einem redox-responsiven Vernetzer hergestellt. DOX-geladene Nanogele zeigten bei 37℃ in Gegenwart von 10 mmolarer Glutathione (GSH) mit zunehmender Vernetzungsdichte eine verminderte Wirkstofffreisetzung. In vitro Studien erzielten in reduktiver Umgebung eine Freisetzung von maximal 85% DOX innerhalb von 24 h, während unter nicht-reduktiven Bedingungen in der gleichen Zeit höchstens 13% freigesetzt wurde. Intracellulare Versuche weisen darauf hin, dass die Freisetzungsrate von DOX durch unterschiedliche Vernetzungsdichte der Nanogele gezielt beeinflusst werden kann. Ein Zellüberlebenstest zeigte die Biokompatibilität der freien Nanogele in einem weiten Konzentrationsbereich, während die mit DOX beladenen Nanogele eine mittlere Anti-Tumoraktivität aufwiesen.

This thesis deals with synthesis, characterization and applications of (biohybrid) nanogels based on (water-soluble) poly(N-vinyl lactams) copolymers functionalized with reactive side groups. RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer) copolymerizations of methacrylic acid N-hydroxysuccinimide ester and cyclic N-vinylamides derivatives (N-vinylpyrrolidone, N-vinylpiperidone and N-vinylcaprolactam) were successfully performed with methyl 2-(ethoxycarbonothioylthio)-propanoate as chain transfer agent (CTA). Biohybrid nanogels were constructed via chemical crosslinking of water soluble reactive copolymers poly(N-vinylpyrrolidone-co-N-methacryloxysuccinimide) with proteins such as enhanced green fluorescent protein (EGFP) and cellulase via water-in-oil emulsion. Biofluorescent nanogels crosslinked with varying amounts of EGFP were obtained. The biocatalytic activity of cellulase-conjugated nanogels (CNG) can be tunable via crosslinking density. Circular dichroism (CD) spectra and fluorescence resonance energy transfer (FRET) based study disclosed the mechanism how the crosslinking density influence upon the catalytic activity of the biohybrid colloids. The biohybrid nanogels displayed enhanced stability compared with free cellulase after storing at room temperature for three weeks. Thermo and redox dual sensitive nanogels based on N-vinylcaprolactam (VCL) and N-succinimidyl methacrylate (Suma) crosslinked with diallyl disulfide were synthesized via a facile and straightforward method, with tunable size from 200 nm to 1.1 μm. Doxorubicin (DOX) was covalently bound to the nanogel network via coupling with succinimide groups at mild conditions to obtain prodrug nanogels. The drug delivery system exhibited a sustainable delivery profile in the intracellular release study and high antitumor activity.A series of novel pyridyldisulfide (PDS)-functionalized poly(N-vinyl lactams) statistical copolymers were developed via RAFT polymerization. The PDS-functionalized reactive polymers were amenable to a variety of thiol-containing molecules under mild conditions. The contact angle measurements results and fluorescence microscopy study indicated that the reactive films based on the PDS-functionalized copolymers allowed facile, direct, and environmental-friendly surface engineering in aqueous solution, which can control cell attachment and growth on the surface to meet demands of a particular application.Redox-responsive polymeric nanogels were synthesized via in situ crosslinking of PDS-functionalized poly(N-vinylpyrrolidone). Cellulase as a representative protein was encapsulated in the nanogels (PNG1 and PNG2). The enzymatic activity was greatly deactivated when encapsulated in the nanogels while rapidly recovered in 10 mM DTT solution. The FRET based experiments were performed and revealed that the recovered enzymatic activity was mainly ascribed to reduction inducing degradation of the disulfide crosslinking network, ultimately causing protein release. A series of well-defined primary amine-functionalized statistical copolymers based on cyclic N-vinyl lactam monomers and N-vinylformamide (VFA) were successfully synthesized via RAFT polymerization. Water soluble primary amine-based reactive copolymers were obtained by controlled hydrolysis of the VFA components in alkaline condition. Functional nanogels were prepared in W/O emulsions utilizing the coupling between the reactive amine side-groups of polymer chains and diacrylate functionalities of poly(ethylene glycol) crosslinker via Michael addition reaction.Biodegradable nanogels based on primary amine-functionalized poly(N-vinylpyrrolidone) copolymers were prepared in water-in-oil emulsion via Michael addition reaction with a redox-responsive cross-linker. DOX-loaded nanogels demonstrated decreased drug release rate with increased crosslinking density in presence of 10 mM GSH at 37℃. The in vitro release studies revealed that maximum 85% DOX was released in 24 h under a reductive environment whereas only maximum 13% DOX was released in 24 h under nonreductive conditions. Intracellular drug release experiment indicated that the DOX delivery rate is tunable via varying crosslinking densities of the nanogels. Cell viability assay demonstrated that the free nanogels were biocompatible in wide concentrations while the DOX-loaded nanogels displayed medium antitumor activity.

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