Nanoparticles have been investigated for decades as a promising platform technology for application as drug delivery systems. Their significant potential is recognized in the ability to protect their cargo from external influences and to facilitate targeted transport to the site of action. The latter is attempted to be achieved by engineering the nanoparticles’ surface with ligands, which bind specifically to receptors on the target cells. This strategy is known as active targeting. By leveraging the differences in the receptor expression patterns between target and off-target cells and establishing tailored targeting concepts, targeting selectivity is aimed to be attained. Viruses, which are evolutionary optimized towards their targets, frequently serve as a role model for the approached targeting strategies. However, while the functionalization of nanoparticles with ligands demonstrates outstanding success in terms of their targeting efficiency in vitro, they still fail to meet expectations in vivo. This can partially be attributed to the fact that the complexity of the binding of functionalized nanoparticles towards their target cells is not yet fully captured (Chapter 1). Consequently, the active targeting concepts could not be perfectly adapted. However, an equally critical factor is that nanoparticles are quickly recognized as foreign material and sequestered by immune cells after administration in vivo. Their clearance from the blood circulation typically occurs within minutes. This significantly shifts their distribution towards off-target tissues, e.g. the liver. While in vitro, their targeting efficiency primarily depends on the clear differentiation between target and off-target cells based on receptor expression patterns, in vivo it is predominantly influenced by their recognition through the immune system. This contributes to the fact that, despite sophisticated ligand-based targeting concepts, nanoparticles currently achieve only minimal targeting efficiency and are almost exclusively applied systemically. The goal of the present work was to address this challenge from two perspectives. Firstly, the specific and non-specific interactions between ligand-functionalized model nanoparticles and their target cells were characterized (Chapter 3 and Chapter 4). This was aimed at contributing to a more profound understanding of the binding mechanisms, thereby laying the foundation for rational design strategies for nanoparticles. Secondly, a complementary approach was devised to protect the nanoparticles from detection by the immune system and thus to modulate their target/off-target distribution. The coadministration regime developed for this purpose was specifically optimized to enable the subcutaneous administration of the nanoparticles (Chapter 6). A procedure was established to label the nanoparticles radioactively with technetium-99m (Chapter 5), to allow for the examination of their biodistribution and target efficiency in vivo.

Nanopartikel werden bereits seit mehreren Jahrzehnten als vielversprechende Plattformtechnologie in ihrer Anwendung als Wirkstoff-Transportsysteme erforscht. Sie sollen die verkapselten Wirkstoffe vor äußeren Einflüssen, z.B. pH-Wert und enzymatischem Abbau schützen und ihren Transport in Zielgewebe erleichtern. Insbesondere in ihrer Funktion als zielgerichtete Transportvehikel werden Nanopartikel daher in ihrer Oberfläche mit Targeting-Funktionalitäten, sogenannten Liganden, ausgestattet, welche an Rezeptoren auf den Zielzellen binden sollen. Diese Strategie wird als aktives Targeting bezeichnet. Um Targeting-Selektivität zu erzielen, werden Unterschiede in den Rezeptor-Expressionsmustern zwischen Target- und Off-Target-Zellen ausgenutzt und die Targeting-Konzepte auf der Oberfläche der Nanopartikel dahingehend angepasst. Dabei dienen Viren, die evolutionär optimiert sind und als natürlich vorkommende Nanopartikel gelten, häufig als Design-Vorbilder. Während diese aktiven Targeting-Konzepte für biomedizinische Nanopartikel auf der einen Seite herausragende Erfolge unter in vitro Bedingungen zeigen, bleiben sie hingegen in vivo weit hinter den Erwartungen zurück. Dieser Umstand kann teilweise auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass die Komplexität der Interaktion zwischen multivalent bindenden Nanopartikeln und der Zelloberfläche noch nicht vollständig erforscht und entsprechend noch nicht in ein dahingehend optimiertes Nanopartikel-Design übertragen werden konnte (Kapitel 1). Ein gleichermaßen kritischer Faktor ist jedoch, dass Nanopartikel nach Applikation in vivo schnell als Fremdkörper erkannt werden und von Zellen des Immunsystems sequestriert werden. Dies trägt zu ihrer schnellen Clearance, häufig innerhalb weniger Minuten, aus der systemischen Zirkulation bei. Dadurch wird die Verteilung der Nanopartikel stark hin zu Off-Target-Organen, wie beispielsweise der Leber, vorschoben. Während in vitro die Targeting-Effizienz der Nanopartikel also primär von der Unterscheidbarkeit von Target- und Off-Target-Zellen basierend auf unterschiedlichen Rezeptorexpressionsmustern beruht, wird sie in vivo vorrangig durch die Erkennung durch das Immunsystem beeinflusst. Dies trägt maßgeblich dazu bei, dass biomedizinische Nanopartikel derzeit trotz ausgefeilter Targeting-Konzepte nur eine geringe Targeting-Effizienz erzielen und fast ausschließlich systemisch, also intravenös, appliziert werden können.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese Herausforderung im Bereich der Nanowissenschaften aus zwei verschiedenen Perspektiven zu adressieren. In einem ersten Ansatz wurden die spezifischen und unspezifischen Interaktionen zwischen einem Liganden-funktionalisierten Modellpartikel und seiner Target-Zelle charakterisiert (Kapitel 3 und Kapitel 4). Dieser Teil der Arbeit soll einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der Bindungsmechanismen multivalenter Nanopartikel liefern und dadurch die Grundlage für eine Optimierung des Nanopartikel-Designs im materialwissenschaftlichen Sinne legen. Darüber hinaus wurde, einem zweiten Ansatz folgend, an einem komplementären Ansatz gearbeitet, um Nanopartikel vor einer Erkennung durch das Immunsystem zu schützen und dadurch ihre Target-/Off-Target-Verteilung zu beeinflussen. Zu diesem Zweck wurde ein Co-Administrations-Regime entwickelt, das für eine subkutane Applikation der Nanopartikel optimiert wurde (Kapitel 6). Um die Nanopartikel in vivo detektierbar zu machen und ihre Biodistribution zu verfolgen, wurde darüber hinaus ein Verfahren etabliert, um Technetium-99m als Radionuklid in ihre Struktur zu integrieren (Kapitel 5).