Polymeric Nanocarriers for the Visualisation and Quantification of Molecular Release

Makromolekulare Konstrukte zur Verabreichung von Chemotherapeutika stellen ein weitläufig etabliertes Konzept im Feld der Krebstherapie dar. Mit einem reichen Angebot ver-fügbarer Strategien zu gerichtetem Transport von anti-Tumor Therapeutika bedarf es nach wie vor eingehender Untersuchung und Quantifizierung von korrekter Lokalisierung und Freisetzung von derartigen makromolekularen Transportern. Die vorliegende Arbeit legt den Fokus auf die Synthese und Evaluierung solcher Systeme. Mit pH-gesteuerten und lichtabhängigen Ansätzen wurden zwei Herangehensweisen zur fluoreszenzbasierten Detektion von Wirkstofffreisetzung eingehend untersucht. Fokus der hier demonstrierten Systeme lag auf der Ausnutzung fluoreszenzlöschender Eigenschaften von Nitroxiden, um ein wellenlängenunabhängiges System zu etablieren. Der erste Abschnitt der vorliegenden Arbeit setzt sich mit dem Entwurf und der syntheti-schen Umsetzung eines Polymethacrylat-basierten Transportkonstrukts zur Quantifizie-rung von pH-abhängiger Freisetzung auseinander. Eine geeignete Herangehensweise an die Kombination von Nitroxiden und hydrolytisch spaltbaren Hydrazonen, gebunden an PEGylierte Methacrylate ist eingehend beschrieben. Zwei Architekturen wurden untersucht. Eine Strategie basierte auf der Verankerung von Hydrazon und Nitroxid an dersel-ben Glycidylgruppe eines RAFT Copolymers aus Glycidylmethacrylat und Triethylenglycolmethacrylat (TEGMA). Die andere Strategie legte eine statistische RAFT-Copolymerisation von 2,2,6,6-Tetramethyl-4-Piperidylmethacrylat (TMPMA), Hydrazid-vorläufern in Form von tert-butoxycarbonyl-hydrazido Methacrylat (bHMA), und TEGMA zugrunde. Mithilfe letzterer Strategie konnten erfolgreich Polymere mit TEMPO-Seitenketten und freien Hydraziden zur Beladung mit Doxorubicin (Dox) synthetisiert werden. Der fluoreszenzbasierte Nachweis pH-kontrollierter Freisetzung konnte erfolg-reich gezeigt werden. Des Weiteren wurde das Konstrukt erfolgreich in zwei- und drei-dimensionaler Zellkultur auf Aktivität in biologischen Systemen untersucht. Im Zuge der biologischen Untersuchungen wurde ein Ansatz zur computergestützten Auswertung von konfokalen Fluoreszenzmikroskopieaufnahmen erstellt. Die vorgestellte Methode erlaubte nicht nur Quantifizierung der Wirkstoffaufnahme, sondern auch eine Abschätzung der Eindringtiefe fluoreszenter Konstrukte in Tumorsphäroide. Eine Erweiterung der Transporterplattform im Hinblick auf die Coimmobilisierung von Nitroxid und Wirkstoff an derselben Seitenkette eines Polymers einerseits, und die Einbindung eines rotverschobenen zweiten Fluorophors andererseits, wurde basierend auf der Ugi-Reaktion ebenfalls unternommen. Der zweite Abschnitt dieser Arbeit stellt ein Freisetzungssystem, basierend auf der Nutzung eines Lichtstimulus aus dem sichtbaren Spektrum, vor. Die erfolgreiche Immobilisierung von Pyrenacylsulfid als photolytisch spaltbarer Gruppe und Modellfluorophor in ei-nem, und Amino-TEMPO als fluoreszenzlöschendem Nitroxid konnte erfolgreich gezeigt werden. Das System nutzt ein RAFT-basiertes Copolymer von Methylmethacrylat und Formylphenylmethacrylat zur Bereitstellung einer carbonylfunktionalen Polymerplattform. Das Gesamtkonstrukt wurde in einem eleganten Multikomponentenschritt nach Ugi zu-sammengefügt. Der dritte und letzte Abschnitt untersucht die Anwendbarkeit der Erkenntnisse aus den ersten beiden Teilen zur Konstruktion eines neuartigen Farbstoffs für optoakustische Bildgebung. Ein mit Cyanin-5 endgruppenfunktionalisiertes RAFT poly-TMPMA Kon-strukt wurde erfolgreich synthetisiert und im Hinblick auf seine fluroeszenten Eigenschaf-ten untersucht. Zusammenfassend stellt diese Thesis zwei vielversprechende Werkzeuge zur Visualisierung und Quantifizierung molekularer Freisetzung von polymerbasierten Transporterkonstrukten vor. Darüber hinaus wurde eine Anwendbarkeit in biologischen Systemen erfolgreich demonstriert

Polymeric nanocarriers for the visualisation and quantification of molecular release

This thesis is focused on the establishment on novel approaches towards drug release systems. The polymer-based nanocarriers presented herein are aimed at providing new building blocks for the highly controlled delivery of drug molecules towards tissue. A variety of triggers to facilitate the efficient release of the drug at the site including physiological factors and the utilisation of blue light are explored. In addition, a modern approach towards the visualisation of effective release is demonstrated. Fluorescence is used as a universal indicator to quantify the efficiency of release

Reporting pH-sensitive drug release via unpaired spin fluorescence silencing

We pioneer an approach for the visualization of pH-controlled molecular release of a fluorescent drug from a nitroxide polymer which combined yields a profluorescent system. A methacrylate-based terpolymer, bearing water-solubilizing triethylene-glycol chains, unpaired spins in the form of nitroxide and hydrazone-bound doxorubicin was synthesized to explore the possibilities of release quantification from profluorescent assemblies. Critically, we establish the fluorescence-silencing effect of polymer-bound nitroxides on covalently attached fluorophores and the overall accessibility of such constructs. The facile approach towards a functional assembly shown here provides an easy-to-assemble construct for complex delivery architectures towards applications in theranostics

A methoxyamine-protecting group for organic radical battery materials: An alternative approach

An alternative synthetic route towards the widely employed electroactive poly(TEMPO methacrylate) (PTMA) via a thermally robust methoxyamine-protecting group is demonstrated herein. Protection of the radical moiety of hydroxy-TEMPO with a methyl functionality and subsequent esterification with methacrylic anhydride allows the high-yielding formation of the novel monomer methyl-TEMPO methacrylate (MTMA). The polymerization of MTMA to poly(MTMA) (PMTMA) is investigated via free radical polymerization and reversible addition–fragmentation chain-transfer polymerization (RAFT), a reversible-deactivation radical polymerization technique. Cleavage of the temperature-stable methoxyamine functionality by oxidative treatment of PMTMA with meta-chloroperbenzoic acid (mCPBA) releases the electroactive PTMA. The redox activity of PTMA was confirmed by cyclic voltammetry in lithium-ion coin cells.</p

Reporting pH-sensitive drug release via

We pioneer an approach for the visualization of pH-controlled molecular release of a fluorescent drug from a nitroxide polymer which combined yields a profluorescent system. A methacrylate-based terpolymer, bearing water-solubilizing triethylene-glycol chains, unpaired spins in the form of nitroxide and hydrazone-bound doxorubicin was synthesized to explore the possibilities of release quantification from profluorescent assemblies. Critically, we establish the fluorescence-silencing effect of polymer-bound nitroxides on covalently attached fluorophores and the overall accessibility of such constructs. The facile approach towards a functional assembly shown here provides an easy-to-assemble construct for complex delivery architectures towards applications in theranostics