Integration of protein containers into microgel systems for potential drug release and delivery

Budiarta, Made; Pich, Andrij; Beck, Tobias; Simon, Ulrich

doi:HT020898197

Integration of protein containers into microgel systems for potential drug release and delivery = Integration von Proteincontainern in Mikrogelsysteme zur potenziellen Wirkstofffreisetzung und -abgabe

Budiarta, Made^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Made Budiarta M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tobias (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-01-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03638
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/817047/files/817047.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Arzneimittelabgabe (frei) ; Einkapselung in Ferritin (frei) ; Polyelektrolyt-Mikrogel (frei) ; abbaubares Mikrogel (frei) ; degradable microgel (frei) ; drug delivery (frei) ; encapsulation in ferritin (frei) ; nanogel (frei) ; polyelectrolyte microgel (frei) ; protein containers (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Anwendung von Ferritincontainern als vielversprechender Wirkstoffträger wird durch proteolytischen Abbau im systemischen Kreislauf behindert. Hier wird eine neuartige Strategie zur Verbesserung der Stabilität von Ferritincontainern gegen Protease vorgestellt: Ferritincontainern wurden in das polymere Netzwerk von Polyelektrolyt-Mikrogelen integriert. Zunächst wurde Ferritin mit Fluorophoren und Nanopartikeln (NPs) markiert, um ihre Integration und Freisetzung aus Mikrogelen mittels Fluoreszenzmikroskopie bzw. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verfolgen zu können. Um eine hohe Fluorophorbeladung und -ausbeute zu erzielen, wurde eine neue Einkapselungsstrategie entwickelt, die auf den Cystein-Maleimid-Kupplungsreaktionen basiert. Die Integration von Ferritin in Mikrogelsysteme erfolgte durch die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den geladenen Comonomeren der Mikrogele und den Oberflächenladungen des Ferritins. Zunächst wurde Ferritin in Mikrogele mit zufällig verteilten ionisierbaren Gruppen integriert. Jedoch führte die Integration zur Ausfällung, und die resultierenden Mikrogele konnten nicht von dem überschüssigen Ferritin getrennt werden. Daher wurde als nächstes Ferritin in ein geladenes Kern-Neutral-Schale-Mikrogel integriert. Obwohl die neutrale Schale eine Ausfällung verhinderte, konnte Ferritin aus den Mikrogelen austreten, sodass das Ferritin zwischen den Mikrogelen inhomogen verteilt war. All diese Probleme wurden gelöst, als Ferritin während der Mikrogel-Synthese integriert wurde. Die Integration war sehr effektiv, da etwa 80% der verwendeten Ferritincontainern in die Mikrogele integriert wurden. Um die Freisetzung von Ferritin aus den Mikrogelen zu ermöglichen, wurde bei der Synthese ein säureabbaubarer Vernetzer eingesetzt. Es wird gezeigt, dass etwa 85% bzw. 50% des integrierten Ferritins in Puffer mit pH 2.5 bzw. 4.0 schnell freigesetzt werden können. Ein vollständiger Abbau der Mikrogele wurde jedoch aufgrund der Selbstvernetzung von N-Isopropylacrylamid (NIPAM) nicht beobachtet. Schließlich bewies ein proteolytischer Abbau durch Chymotrypsin, dass die Mikrogele Ferritin vor proteolytischem Abbau schützen konnten. Für die Anwendung zum Wirkstofftransport wurde das Krebsmedikament Doxorubicin (DOX) in verschiedene Ferritin-Varianten eingekapselt. Die resultierenden DOX-Ferritin-Varianten wurden dann in das Mikrogel-System integriert. Die Zellexperimente zeigen jedoch, dass die Zytotoxizität von DOX-Ferritin-Varianten geringer als die von freiem DOX ist. Ein möglicher Grund ist die Anheftung von DOX-Molekülen auf der Oberfläche von Ferritin-Käfigen, die die Ferritinaufnahme in die Zellen behindern. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um dieses Problem zu bestätigen und zu überwinden. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal ein Ferritincontainer-Mikrogel-System entwickelt. Interessanterweise konnte die gleiche Synthese angewandt werden, um Ferritincontainer mit unterschiedlichen Inhalten in die Mikrogele zu integrieren. Dieser Ansatz beschreibt eine innovative, bisher nicht in Betracht gezogene Strategie zur Integration verschiedener Materialien in die Mikrogele. Damit erweitert diese Arbeit die Anwendungsbereiche für kolloidale Mikrogelsystem.

The application of ferritin containers as a promising drug delivery vehicle is hampered by proteolytic degradation in systemic circulation. Here, a novel strategy to improve the stability of ferritin containers against protease is presented: Ferritin containers were integrated into the polymeric network of polyelectrolyte microgels. First, ferritin was labeled with fluorophores and nanoparticles (NPs) to enable tracking their integration and release from microgels by fluorescence microscopy and transmission electron microscopy (TEM), respectively. To obtain a high fluorophore loading and yield, a new encapsulation strategy based on the cysteine-maleimide coupling reactions was developed. The integration of ferritin into microgel systems was performed by the electrostatic interactions between the charged co-monomers of microgels and the surface charges of ferritin. Initially, ferritin was integrated into microgels with randomly distributed ionizable groups. However, the integration was characterized by precipitation, and the resulting microgels could not be purified from the excess ferritin. Therefore, next, ferritin was integrated into a charged core-neutral shell microgel. Although the neutral shell prevented precipitation, ferritin could leak out from the microgels and ferritin was inhomogeneously distributed among the microgels. All these problems were solved when ferritin was integrated during the microgel synthesis. The integration was very effective because about 80% of the applied ferritin containers were integrated into the microgels. To enable ferritin release from microgels, an acid-degradable crosslinker was applied in the synthesis. It is shown that about 85% and 50% of the integrated ferritin can be released rapidly in buffer with pH 2.5 and 4.0, respectively. However, total degradation of the microgels was not observed due to the self-crosslinking of N-isopropylacrylamide (NIPAM). Finally, proteolytic degradation by chymotrypsin proved that the microgels could protect ferritin against protease.For drug delivery purposes, the anti-cancer drug doxorubicin (DOX) was encapsulated into various ferritin variants. The resulting DOX-ferritin variants then were integrated into the microgel system. However, the cell experiments show that the cytotoxicity of DOX-ferritin variants is lower than the free-DOX. One possible reason is the attachment of DOX molecules on the surface of ferritin cages, which obstructs the ferritin uptake into the cells. Further investigations are needed to confirm and overcome this problem. In this work, a protein containers-microgel system is developed for the first time. Interestingly, the same synthesis could be applied to integrate ferritin containers containing different cargos into the microgels. This approach describes an innovative, previously not considered strategy for integrating various materials into the microgels. Thereby, this work expands the areas for the applications of colloidal microgel systems.

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