Microfluidic synthesis of multifunctional microgels for treatment of inflammatory bowel syndrome

Kittel, Yonca; De Laporte, Laura; Kühne, Alexander J. C.

doi:10.18154/RWTH-2024-08919

Microfluidic synthesis of multifunctional microgels for treatment of inflammatory bowel syndrome = Mikrofluidische Synthese von multifunktionalen Mikrogelen zur Behandlung von chronisch entzündlichen Darmerkrankungen

Kittel, Yonca^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yonca Kittel (geb. Kayku), M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
De Laporte, Laura (Thesis advisor)^RWTH* ; Kühne, Alexander J. C. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-06-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08919
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/993685/files/993685.pdf

Einrichtungen

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Das übergeordnete Ziel meiner Dissertation ist die Entwicklung von entzündungshemmenden multifunktionalen Mikrogelen auf der Basis von sternförmigen Poly(ethylenglykol) (sPEG) als neuartige kombinatorische Therapie zur lokalen Behandlung von nicht-mikrobiellen chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED). In Kapitel 1 beschreibe ich die Motivation meiner Arbeit, wie drei verschiedene zentrale Herausforderungen der CED-Behandlung durch die gewünschte Veränderung der Mikrogeleigenschaften angegangen werden können. In Kapitel 2 wird der aktuelle Stand der Technik bei den Anforderungen an Mikrogele für klinische Anwendungen erörtert, indem ein Überblick über die wichtigsten Eigenschaften wie Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit, mechanische Stabilität und Weichheit, Belastbarkeit, chemische Funktionalität und Zellinteraktion gegeben wird. Darüber hinaus werden verschiedene Techniken zur Herstellung und Charakterisierung von Mikrogelen im Detail besprochen. In Kapitel 3 nutze ich die bestehende systemische TNFα-Antikörpertherapie in Kliniken zur Behandlung von CED - ich baue jedoch TNFα-Antikörper (Adalimumab) in sPEG-basierte Mikrogele ein, um das entzündungsvermittelnde Zytokin TNFα nicht systemisch, sondern lokal spezifisch abzufangen und die Entzündung im Darm zu hemmen. Die kugelförmigen Mikrogele werden mittels tröpfchenbasierter Mikrofluidik mit einem Durchmesser von etwa 25 μm synthetisiert. Ich habe die Diffusion des TNFα-Antikörpers sowie von TNFα selbst in den Mikrogelen aus verschiedenen sPEG-Ac-Bausteinen und GMA als Co-Polymer systematisch untersucht. Insbesondere wird die hohe Beladung der Mikrogele mit TNFα-Antikörpern und die sequenzielle TNFα-Bindungskapazität der Mikrogele aufgrund ihrer hohen Zugänglichkeit der inneren Oberfläche in Gegenwart von menschlichen kolorektalen Adenokarzinomzellen HT29 gezeigt. Darüber hinaus fangen die Mikrogele TNFα ab, das von menschlichen Makrophagen produziert wird, um die In-vivo-Situation von CED zu imitieren. Tatsächlich fangen die Mikrogele TNFα in Konzentrationen ab, die weit über den krankheitsrelevanten Werten liegen. Kapitel 4 befasst sich mit einer weiteren großen Herausforderung in der IBD-Therapie: der Reparatur der geschädigten epithelialen Darmbarriere. Zu diesem Zweck habe ich mit Hyaluronsäure (HA) funktionalisierte Mikrogele hergestellt, die spezifisch auf CD44-Rezeptor-exprimierende entzündete Darmepithelzellen abzielen und diese binden. Dazu habe ich die Steifigkeit und die viskoelastischen Eigenschaften der Mikrogele untersucht, um die ECM der Schleimhaut nachzuahmen. Durch aktives Zielen und Binden an entzündete Darmzellen bilden die Mikrogele eine Schicht auf der Epitheloberfläche, die die abgebaute Darmschleimhaut ersetzt und das Gewebe vor schädlichen Bakterien schützt. Kapitel 5 schließlich gibt einen tieferen Einblick in die Bedeutung der mechanischen, biochemischen und strukturellen Eigenschaften von Mikrogelen, wenn sie in Zellkulturen eingesetzt werden, um Mikrogele als Bausteine für künstliche Gewebe besser entwerfen und einsetzen zu können. Zu diesem Zweck habe ich systematisch untersucht, wie die Konzentration, das Molekulargewicht und die Architektur der molekularen Bausteine die innere Struktur der stäbchenförmigen Mikrogele und damit ihre mechanischen und Diffusionseigenschaften beeinflussen. Darüber hinaus habe ich charakterisiert, wie die innere Struktur sowie die Funktionalisierung der Mikrogele mit dem zelladhäsiven Peptid RGD die Interaktion mit Zellen beeinflussen. Zusammenfassend bietet diese Arbeit einen umfassenden Überblick über das Zusammenspiel der mechanischen, biochemischen und strukturellen Eigenschaften von Mikrogelen bei der Anwendung in der Biomedizin, insbesondere bei der Behandlung von CED.

The overall goal of my thesis is to develop inflammation-targeting multifunctional star-shaped poly(ethylene glycol) (sPEG)-based microgels as novel combinatorial therapy for local treatment of non-microbial inflammatory bowel diseases (IBD). In Chapter 1, I describe the motivation of my work on how three different key challenges of IBD treatment are addressed by altering the microgel properties as desired. Chapter 2 discusses the state of the art of microgel requirements for clinical applications by giving an overview of key attributes, such as biocompatibility, biodegradability, mechanical stability and softness, loading capacity, chemical functionality, and cell interaction. Moreover, different microgel fabrication, as well characterization, techniques are discussed in detail. In Chapter 3, I make use of the existing systemic TNFα antibody therapy in clinics for IBD treatment – however, I incorporate TNFα antibodies (adalimumab) in sPEG-based microgels for non-systemic but local specific scavenging of the inflammation-mediating cytokine TNFα to inhibit the inflammation in the intestine. Spherical microgels are synthesized via droplet-based microfluidics with a diameter of around 25 μm. I have systematically investigated the diffusion of TNFα antibody, as well as TNFα itself, inside the microgels made from different sPEG-Ac building blocks and GMA as co-polymer. In particular, the high loading of TNFα antibody inside the microgels and sequential TNFα binding capacity of the microgels, due to their high accessibility of internal surface, is shown in the presence of human colorectal adenocarcinoma cells HT29. Furthermore, the microgels scavenge TNFα produced by human macrophages to mimic the in vivo situation of IBD. In fact, the microgels scavenge TNFα at concentrations that are far beyond disease relevant levels. Chapter 4 addresses another major challenge in IBD therapy: the repair of damaged epithelial intestinal barrier. For this purpose, I have produced hyaluronic acid (HA)-functionalized microgels that specifically target and bind CD44 receptor-expressing inflamed intestinal epithelial cells. Therefore, I have investigated the stiffness and viscoelastic properties of the microgels to mimic the mucosal ECM. By active targeting and binding to inflamed intestinal cells, the microgels form a layer on the epithelial surface to replace the degraded mucus and shield the tissue from harmful bacteria. Finally, Chapter 5 gives a deeper insight of the importance of mechanical, biochemical, and structural properties of microgels, when they are applied in cell culture to be able to better design and employ microgels as building blocks for engineered tissues. For this purpose, I have systematically investigated how the concentration, molecular weight, and architecture of the molecular building blocks influence the internal structure of rod-shaped microgels, and thus their mechanical and diffusion properties. Furthermore, I have characterized how the internal structure, as well as the functionalization of the microgels with cell-adhesive peptide RGD, affect the interaction with cells. In conclusion, this thesis provides a comprehensive overview of the interplay of mechanical, biochemical, and structural properties of microgels when applied for biomedical application, in particular for the treatment of IBD.

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