Verbesserung der Kontrasteigenschaften von Gd-hältigen PLGA-Nanopartikeln für die Magnetresonanztomografie durch verschiedene Aminospacer und Komplexbildner

Im Rahmen dieser Diplomarbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass PLGA-Nanopartikel mit Gadoliniumkomplexen für die Kontrastverstärkung von Bildschnitten der Magnetresonanztomografie beladen werden konnten. Zur Modifizierung der Partikeloberflächen wurden drei verschiedene Aminospacer, Tetramethylendiamin, 1,8-Diaminooctan und Polyethylenimin (PEI) sowie die Komplexbildner 1,4,7,10-Tetra-azacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure (DOTA) und Diethylentriaminopentaessigsäure (DTPA) eingesetzt, die stabile Chelate mit dreiwertigen Gadoliniumionen ausbilden, um schwerwiegende Nebenwirkungen durch freies, toxisches Gadolinium zu vermeiden. Bei der ersten Methode - in der vorliegenden Arbeit als „Zweischrittmethode“ bezeichnet – wurden die PLGA-Nanosphären zuerst mit der Aminokomponente (Tetramethylendiamin, Octamethylendiamin oder PEI), danach mit den Komplexbildnern DOTA-NHS oder DTPABA konjugiert und schließlich mit Gadolinium beladen. Bei der „Einschrittmethode“ wurde zunächst DOTA-NHS mit PEI konjugiert. Dieses Konjugat wurde anschließend an die Nanopartikeloberfläche gebunden und die modifizierten Partikel zuletzt mit Gadolinium beladen. Bei einer weiteren Methode, der sogenannten „alternativen“ Kopplungsmethode, sollte zuerst der Spacer mit dem Komplexbildner konjugiert, das Konjugat mit Gadolinium beladen und dieser MRI-funktionelle Ligand an die Partikeloberfläche gekoppelt werden. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass diese Vorgangsweise nicht zielführend ist. Der Vergleich der Charakteristika der Nanopartikel, die nach der Ein- und Zweischrittmethode hergestellt wurden, zeigt kaum Unterschiede im Durchmesser, Polydispersitätsindex und Zetapotential der Nanopartikel. Im Vergleich zur Einschrittmethode konnte mit der Zweischrittmethode sogar die dreifache Gadoliniummenge an die Partikel gebunden werden. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse der Zweischrittmethode, dass die Wahl des Spacers für die Gadoliniumbelastung und damit für die Kontrastverstärkung entscheidend ist: Die Bestimmung des Gadoliniumgehaltes mittels ICP-OES und des PLGA-Gehaltes mittels HPLC ergibt, dass PEI zu bis zu 250 fach höheren Konzentrationen (Gd-DTPA-PEI 215µg Gadolinium/mg PLGA, Gd-DOTA-PEI 147µg Gadolinium/mg PLGA) an assoziiertem Gadolinium verglichen mit den beiden anderen Spacern Octamethylendiamin(Gd-DTPA-OMD 1µg Gadolinium/mg PLGA, Gd-DOTA-OMD 1µg Gadolinium/mg PLGA) und Tetramethylendiamin (Gd-DTPA-TMD 0,2µg Gadolinium/mg PLGA , Gd-DOTA-TMD 0,3µg Gadolinium/mg PLGA) führt. Die hohe Gadolimnium-Beladung von PEI beruht auf den sieben primären Aminogruppen des stark verzweigten Moleküls, sodass nach Kopplung an die Oberfläche des Nanopartikels immer noch 6 freie Aminogruppen für die Bindung des Komplexbildners zur Verfügung stehen. Darüber hinaus zeigten diese Gd-Nanopartikel auch besonders hohe T1-Relaxationszeiten und damit MRI-Kontrastverstärkung (Publikation Seite 32). Im Gegensatz dazu sind Octamethylendiamin und Tetramethylendiamin sind unverzweigt und bifunktionell, sodass nach Kopplung an die Partikeloberfläche jeweils nur eine Aminogruppe für die Bindung des Komplexbildners zur Verfügung steht. Zusätzlich besitzen PEI-funktionalisierte Nanopartikel eine weitaus geringer negative Oberflächenladung als Octamethylendiamin- oder Tetramethylendiamin-assoziierte Partikel. Je negativer diese Oberfläche geladen ist, desto stabiler ist die Partikelsuspension, da sich die einzelnen Partikel stärker von einander abstoßen und daher nicht aggregieren. Die modifizierten Nanopartikel besitzen eine enge Größenverteilung im Bereich von 150nm bis 200nm (Abbildungen in der Publikation auf Seite 28) und wurden mittels Dynamic Light Scattering und cryo-TEM charakterisiert

Surface modification of PLGA nanospheres with Gd-DTPA and Gd-DOTA for high-relaxivity MRI contrast agents

The preparation of particulate contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI) based on biodegradable poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) nanocarriers is reported. By spacer-aided covalent surface-grafting of the prominent chelating ligands diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) and 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA), respectively, up to 236 μg gadolinium per mg PLGA can be immobilized in a stable manner. Due to the localisation at the particle surface, water protons may effectively interact with the gadolinium chelates and the modified particles exhibit high proton relaxivities as confirmed by T1 relaxivities of up to 17.5 mm(-1)s(-1) (25 °C, 1.41 T) in case of Gd-DOTA-functionalized carriers and also supported by NMRD profiles. The obtained values compare favorably with marketed low-molecular weight contrast agents and thus suggest suitability for in vivo us

Lehr- und LernOrte vernetzen (Zwischenergebnisse des Futur.A-Projekts)

Das anwendungsbezogene Lernen hat für Studierende an Fachhochschulen eine hohe Bedeutung. Es übt nicht nur den Theorie-Praxis-Transfer in den angewandten Wissenschaften, sondern fördert unter persönlicher Anleitung auch motorische sowie interaktive Kompetenzentwicklung und nicht zuletzt die Motivation. Die Erweiterung von Lernumgebungen durch Digitalisierung solcher Lehrveranstaltungen erfordert eine besondere technische und didaktische Qualität, um Lernerfolge trotz der Nicht-Präsenz bestmöglich zu gewährleisten. Sie bietet jedoch auch neue Möglichkeiten für interdisziplinäres Lehren und Lernen. Das Futur.A-Projekt (Future Skills. Apllied) ist ein Verbundprojekt von sechs nieder-sächsischen Fachhochschulen und fokussiert im Teilprojekt 3 die Entwicklung, Erprobung und curriculare Verankerung digital gestützten anwendungsbezogenen Lernens. Erste Ergebnisse aus diesem Teilprojekt werden in diesem Band vorgestellt und beschrieben. Beispielhafte Lernorte sind Labore sowie Lehrveranstaltungen, in denen komplexe Themen mit starkem Anwendungsbezug behandelt werden