Polyelectrolyte Multilayer Capsules for Medical Applications

Die vorliegende Arbeit hat die Anwendung von Polymerkapseln in diagnostischen und therapeutischen Fragestellungen in Säugerzellen zum Thema. Die Kapseln bestehen aus einer Kavität umhüllt von mehrern gegensätzlich geladenen Polyelektrolytschichten und haben eine Größe von zwei bis fünf Mikrometern. Für die diagnostischen Anwendungen wurden Kapseln für die Beobachtung des lysosomalen pH-Wertes von Krebszellen synthetisiert. Die Kavitäten der Kapseln wurde dafür mit einem fluoreszenten, pH-abhängigen Farbstoff gefüllt, um das Signal optisch auszulesen. Die Dynamik des lysosomalen pH-Wertes unter äußerlicher Beeinflussung wurde vermessen. Aus den Ergebnissen ging hervor, dass die Kapseln für die intrazelluläre Langzeitmessung geeignet waren und Änderungen des pH-Wertes verfolgt werden konnten. Für therapeutische Aufgaben wurden bioabbaubare Kapseln mit biologisch aktiven Molekülen beladen. Zwei verschiedene Strategien wurden verwendet. Im ersten Fall wurde die Kavität der Kapseln mit Polyplexen aus DNA oder RNA und Polyetylenimin gefüllt, die weithin für die Einbringung von fremden Genmaterial in Zellen eingesetzt werden. Dies ist ein Beispiel für Gentherapie. Die Ergebnisse zeigten, dass die Integration des fremden Genmaterials mithilfe von Kapseln sehr effizient war und die eingekapselten Polyplexe weniger toxisch für die Zellen waren als freie Polyplexe. Die zweite Strategie war, funktionale Enzyme direkt zu integrieren. Dafür wurden Modelle für lysosomale Speicherkrankheiten eingesetzt. Patienten mit Morbus Fabry expremieren das Enzym α-Galactosidase A nicht oder nur unzureichend. Im Versuch wurden bioabbaubare Kapsel mit dem Enzym synthetisiert und den Modellzellen verabreicht. Diese Therapieform nennt man Enzymersatztherapie. Die intrazelluläre Enzymaktivität wurde mithilfe eines fluoreszenten Substrats von α Galactosidase A bestimmt. Da das Produkt der Enzymreaktion nichtfluoreszierend ist, kann aus der intrazellulären Fluoreszenz auf die Aktivität des Enzyms geschlossen werden. Zuletzt wurden Diagnose und Therapie in einem Modell für Morbus Krabbe, einer weiteren lysosomalen Speicherkrankheit, vereint. Bei Krabbe-Patienten sammeln sich Sphingolipide und Cerebroside in den oligodendritischen Glia-Zellen an, da das Enzym Galactocerebrosidase, das diese Stoffe normalerweise abbaut, aufgrund eines Gendefekts nicht expremiert wird. Im Modell wurden die Zellen mit dem Sphingolipid Psychosin inkubiert, um die Krankheit zu simulieren. Galactocerebrosidase wurde den Zellen mithilfe bioabbaubarer Kapseln verabreicht. Die Funktionalität des Enzyms wurde mit einem Viabilitätstest verifiziert. Zwei Typen von Zellen, der Wildtyp, der das Enzym expremierte, und Knockout-Zellen, die das Enzym nicht expremierten, wurden verwendet. Die Viabilität der Zellen bei Zugabe verschiedener Konzentrationen von Psychosin wurde mit und ohne Kapselzugabe bestimmt. Es zeigte sich, dass die Kapseln einen gegensätzlichen Effekt auf die zwei Typen von Zellen ausübten. Knockout-Zellen erreichten eine höhere Viabilität nach Zugabe der Enzym-Kapseln, wohingegen Wildtyp-Zellen eine leicht geringere hatten. Der diagnostische Part des Modells bestand in der Messung des lysosomalen pH-Wertes während der Inkubation mit Psychosin. Das zeitaufgelöste pH-Profil der beiden Zelltypen unterschied sich dabei. Daher kann die Entscheidung, ob Kapseln zur Therapie verabreicht werden sollten, von der Diagnose durch die pH-Messung abhängig gemacht werden. Dies kann man als in vitro-Beispiel für Theranostik betrachten, der Kombination aus Therapie und Diagnose.