Layer by Layer fabricated gold nanoparticles for nucleic acid delivery

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-164734

Elbakry, Asmaa Mohamed

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Date of publication of this fulltext: 25 Sep 2012 09:34

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	25 September 2012
Referee:	Prof. Dr. Achim Göpferich
Date of exam:	17 September 2010
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich)
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Keywords:	layer-by-layer, gold nanoparticles, polyelectrolyte, siRNA delivery
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	16473

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Abstract (English)

Abstract (English)

The delivery of nucleic acids to cells has gained significant attention and shown tremendous promise for the treatment of genetic and acquired diseases. The delivery of siRNA into cells requires a carrier, since the siRNA is prone to enzymatic degradation, very large, and too negatively charged to cross cellular membranes. Common approaches for siRNA delivery include the creation of nanoparticles using cationic polymers or lipids. However, most of these carriers form random self-assembled aggregates with siRNA. These aggregates are generally heterogeneous and create poorly defined particle collectives. In addition, these particles of different sizes and compositions are in equilibrium with free carrier molecules and free siRNA. Consequently, it is not clear which species is responsible for the overall biological effect and the optimization of existing formulations is difficult to achieve. Therefore, new and optimized strategies are urgently needed for the highly efficient delivery of siRNA to cells. We hypothesized that the Layer-by-Layer (LbL) strategy using colloidal gold nanoparticles (AuNPs) as a template could allow us to manufacture a carrier for siRNA delivery that remains monodisperse during the assembly process and delivers active siRNA into cells. First the AuNPs were prepared using citrate reduction method, and then stabilized with 0.1 mg/ml 11-mercaptoundecanoic acid (11-MUA). Afterward, the appropriate parameters for successful coating of stabilized AuNPs were identified. Then after, we coated AuNPs via LbL approach, starting with positively charged poly(ethylene imine) (PEI) with a Mw of 25 kDa, then deposited a negatively charged siRNA, and completed the coating with PEI as a last layer. The nanoparticles were small (~25 nm) and delivered siRNA into cells that showed a strong biological effect. Finally, we investigated the effect of different sizes of LbL-coated AuNPs on their cellular uptake. We found that the smaller AuNPs were taken up by the cells to a higher extent than larger ones. Moreover, there was a positive correlation between the amount of active substances taken up by the cells and the size of LbL-coated AuNPs. In conclusion, this finding will assist in the future design of nano-structures delivering nucleic acids for biomedical applications.

Translation of the abstract (German)

Der Transport von Nukleinsäuren in Zellen hat großes Interesse erlangt und zeigt enorm vielversprechende Möglichkeiten zur Behandlung von genetischen und erworbenen Krankheiten auf. Die Überführung von siRNA in Zellen erfordert einen Träger, da die siRNA zum einen sehr groß und anfällig für den enzymatischen Abbau ist, und zum anderen zu negativ geladen um Zellmembranen zu durchqueren. Übliche Methoden um die siRNA in Zellen hineinzu tranportieren umfassen die Schaffung von Nanopartikeln mit kationischen Polymeren oder Lipiden. Allerdings bilden die meisten dieser Carrier zufällige Selbst-Aggregate mit siRNA. Diese Aggregate sind in der Regel heterogen und zeichnen sich durch schlecht definierte Teilchenkollektive aus. Darüber hinaus sind diese Partikel verschiedener Größe und Zusammensetzung im Gleichgewicht mit freien Carrier-molekülen und freier siRNA. Folglich ist es nicht klar, welche Speziesfür die gesamte biologische Wirkung verantwortlich sind, weshalb die Optimierung bestehender Formulierungen schwierig zu erreichen ist. Daher werden dringend neue und optimierte Strategien für die hocheffiziente Bereitstellung von siRNA Zellen benötigt. Wir stellten die Hypothese auf, dass es uns die Layer-by-Layer (LbL)-Strategie mit kolloidalen Gold-Nanopartikeln (AuNPs) als Werkzeug ermöglichen könnte,, zu einem Träger für den siRNA Transport zu gelangen, der während der Herstellung monodispers bleibt und aktive siRNA in Zellen liefert. Im ersten Schritt wurden die AuNPs mit Hilfe der Citrat Reduktionsmethode hergestellt und dann mit 0,1 mg / ml 11-mercaptoundecanoic Säure (11-MUA) stabilisiert. Danach wurden die entsprechenden Parameter für die erfolgreiche Beschichtung stabilisierter AuNPs identifiziert. In der Folge beschichteten wir die AuNPs über das LbL Konzept , beginnend mit positiv geladenem Poly (Ethylen-Imin) (PEI) mit einem MW von 25 kDa, lagerten negativ geladene siRNA an und vollendeten die Beschichtung mit PEI als letzter Schicht. Die Nanopartikel waren klein (~ 25 nm) und lieferten siRNA in Zellen, die eine starke biologische Wirkung zeigten. Schließlich untersuchten wir den Effekt der unterschiedlichen Größen der LbL-beschichteten AuNPs auf ihre zelluläre Aufnahme. Wir fanden, dass die kleineren AuNPs von den Zellen zu einem höheren Ausmaß als größere aufgenommen wurden. Darüber hinaus gab es eine positive Korrelation zwischen der Menge der von den Zellen aufgenommen Wirkstoffe und der Größe der LbL-beschichteten AuNPs. Abschließend lässt sich festhalten, dass diese Ergebnisse einen Beitrag zurzukünftigen Gestaltung von Nukleinsäuren liefernden Nano-Strukturen für biomedizinische Anwendungen leisten.

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