Polymeric Nanoparticles for Antigen Delivery to Dendritic Cells

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	24 October 2023
Referee:	Prof. Dr. Achim Göpferich
Date of exam:	24 October 2022
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Technology (Prof. Göpferich)
Keywords:	Polymeric Nanoparticles, Antigen Delivery, Dendritic Cells, Cathepsin S
Dewey Decimal Classification:	600 Technology > 615 Pharmacy
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	53240

Abstract (English)

The aim of this work was to develop nanoparticles with antigens on the surface that exhibit a new enzyme-induced release mechanism for the antigens. Cathepsin S, a protease that is one of the few active enzymes in the early endosome of dendritic cells, was chosen as target enzyme. Antigens and nanoparticles were linked with a substrate of cathepsin S. Therefore, the conjugated antigens should be ...

Abstract (English)

The aim of this work was to develop nanoparticles with antigens on the surface that exhibit a new enzyme-induced release mechanism for the antigens. Cathepsin S, a protease that is one of the few active enzymes in the early endosome of dendritic cells, was chosen as target enzyme. Antigens and nanoparticles were linked with a substrate of cathepsin S. Therefore, the conjugated antigens should be released in the early endosome after uptake into dendritic cells due to linker cleavage by cathepsin S, allowing endosomal escape and subsequent cross-presentation of the antigens.
A method for the production of pathogen-mimicking nanoparticles was first developed and the particles were extensively characterized. Next, the concept of enhancing antigen cross-presentation on dendritic cells by enzymatic release of antigens in the early endosome was examined with in vitro experiments. Furthermore, an additional pH-sensitive release mechanism for ovalbumin was integrated into the particle system. Acid-induced antigen delivery may also enhance cross-presentation by dendritic cells as it enables release in the slightly acidic environment of early endosomes and thus endosomal escape followed by cytosolic processing and loading onto MHC-I molecules.
As a side project of this thesis, a new radiotracer for sentinel lymph node detection was developed.

Translation of the abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Nanopartikeln mit Antigenen auf der Oberfläche, die einen neuen enzyminduzierten Antigen-Freisetzungsmechanismus aufweisen. Als Zielenzym wurde Cathepsin S gewählt, eine Protease, die eines der wenigen aktiven Enzyme im frühen Endosom dendritischer Zellen ist. Antigene und Nanopartikel wurden mit einem Substrat von Cathepsin S verknüpft. Folglich sollten ...

Translation of the abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Nanopartikeln mit Antigenen auf der Oberfläche, die einen neuen enzyminduzierten Antigen-Freisetzungsmechanismus aufweisen. Als Zielenzym wurde Cathepsin S gewählt, eine Protease, die eines der wenigen aktiven Enzyme im frühen Endosom dendritischer Zellen ist. Antigene und Nanopartikel wurden mit einem Substrat von Cathepsin S verknüpft. Folglich sollten die konjugierten Antigene, nach ihrer Aufnahme in dendritische Zellen, im frühen Endosom aufgrund der Linkerspaltung durch Cathepsin S freigesetzt werden, was ein endosomales Entweichen und eine anschließende Kreuzpräsentation der Antigene ermöglicht.
Zunächst wurde ein Verfahren zur Herstellung von Pathogen-imitierenden Nanopartikeln entwickelt und die Partikel umfassend charakterisiert. Als nächstes wurde das Konzept der Verstärkung der Antigen-Kreuzpräsentation auf dendritischen Zellen durch enzymatische Freisetzung von Antigenen im frühen Endosom mit In-vitro-Experimenten untersucht. Darüber hinaus wurde ein zusätzlicher pH-sensitiver Freisetzungsmechanismus für Ovalbumin in das Partikelsystem integriert. Die säureinduzierte Antigenabgabe kann die Kreuzpräsentation durch dendritische Zellen auch verstärken, da sie die Freisetzung in der leicht sauren Umgebung früher Endosomen und somit das endosomale Entweichen, gefolgt von der zytosolischen Prozessierung und dem Laden auf MHC-I-Moleküle, ermöglicht.
Als Nebenprojekt dieser Arbeit wurde ein neuer Radiotracer zur Sentinel-Lymphknotenerkennung entwickelt.

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