In modern pharmaceutical research, numerous drug candidates with high therapeutic potential have been identified. Nevertheless, the clinical efficacy of many compounds falls short of expectations, frequently due to unfavorable biodistribution that prevents the establishment of therapeutically relevant concentrations at the target site. Nanoparticle-based drug delivery systems offer a promising ...
Zusammenfassung (Englisch)
In modern pharmaceutical research, numerous drug candidates with high therapeutic potential have been identified. Nevertheless, the clinical efficacy of many compounds falls short of expectations, frequently due to unfavorable biodistribution that prevents the establishment of therapeutically relevant concentrations at the target site. Nanoparticle-based drug delivery systems offer a promising strategy to address this challenge by protecting active agents and enabling targeted delivery. However, many targeted nanotherapeutics fail in vivo due to biological barriers such as plasma protein adsorption, rapid clearance by the mononuclear phagocyte system, and insufficient discrimination between target and off-target cells. The aim of this work was therefore to develop polymeric nanoparticles with switchable functionality, enabling controlled activation of target cell recognition directly within the biological environment.
To achieve this, bioorthogonal chemistry was employed as a tool for additive nanoparticle functionalization in situ. In particular, the inverse electron-demand Diels–Alder (iEDDA) reaction was identified as a suitable approach due to its exceptional selectivity and fast reaction kinetics under physiological conditions. This work demonstrates that the iEDDA reaction proceeds efficiently on the surface of polymeric NPs and even exhibits accelerated kinetics compared to reactions in solution. Importantly, the reaction remained efficient in complex biological media, and stability studies confirmed sufficient robustness of the reactive partners, thereby laying the foundation for potential in vivo applications.
Building on this foundation, a concept for switchable target cell recognition was developed in which ligands are not pre-installed on the nanoparticle surface but are generated on demand within the biological environment. As a proof of concept, angiotensin I as an inactive pro-ligand was conjugated to NPs via iEDDA and subsequently converted by the ectoenzyme angiotensin-converting enzyme (ACE) into the active angiotensin II ligand. This resulted in a two-stage activation and recognition system that requires both enzymatic processing by ACE and the presence of the AT1 receptor on the target cell, thereby providing an additional level of specificity.
Finally, the impact of switchable receptor recognition on cellular uptake was investigated. While ACE-mediated ligand activation enabled receptor-specific binding, enhanced cellular internalization was not observed, highlighting the influence of additional biological and experimental parameters on nanoparticle uptake. Overall, this work demonstrates that the combination of bioorthogonal chemistry with enzyme-mediated ligand activation represents a promising strategy for the development of adaptive nanoparticles.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
In der modernen pharmazeutischen Forschung wurden zahlreiche Wirkstoffkandidaten mit hohem therapeutischem Potenzial identifiziert. Dennoch bleibt die klinische Wirksamkeit vieler Substanzen hinter den Erwartungen zurück, was häufig auf eine ungünstige Biodistribution zurückzuführen ist, die das Erreichen therapeutisch relevanter Konzentrationen am Wirkort verhindert. Nanopartikelbasierte ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
In der modernen pharmazeutischen Forschung wurden zahlreiche Wirkstoffkandidaten mit hohem therapeutischem Potenzial identifiziert. Dennoch bleibt die klinische Wirksamkeit vieler Substanzen hinter den Erwartungen zurück, was häufig auf eine ungünstige Biodistribution zurückzuführen ist, die das Erreichen therapeutisch relevanter Konzentrationen am Wirkort verhindert. Nanopartikelbasierte Arzneistoffträgersysteme stellen eine vielversprechende Strategie dar, um dieser Herausforderung zu begegnen, indem sie pharmakologisch aktive Substanzen schützen und eine gezielte Abgabe ermöglichen. Allerdings scheitern viele zielgerichtete Nanotherapeutika in vivo an biologischen Barrieren wie der Adsorption von Plasmaproteinen, der schnellen Clearance durch das mononukleäre Phagozytensystem sowie einer unzureichenden Unterscheidung zwischen Ziel- und Off-Target-Zellen. Ziel dieser Arbeit war es daher, polymere Nanopartikel mit schaltbarer Funktionalität zu entwickeln, die eine kontrollierte Aktivierung der Zielzellerkennung direkt im biologischen Umfeld ermöglichen.
Zu diesem Zweck wurde bioorthogonale Chemie als Werkzeug für die additive Funktionalisierung von Nanopartikeln in situ eingesetzt. Insbesondere wurde die Diels–Alder-Reaktion mit inversem Elektronenbedarf (iEDDA) aufgrund ihrer außergewöhnlichen Selektivität und schnellen Reaktionskinetik unter physiologischen Bedingungen als geeigneter Ansatz identifiziert. Diese Arbeit zeigt, dass die iEDDA-Reaktion effizient auf der Oberfläche polymerer Nanopartikel abläuft und im Vergleich zu Reaktionen in Lösung sogar beschleunigte Kinetiken aufweist. Zudem blieb die Reaktion in komplexen biologischen Medien effizient, und Stabilitätsuntersuchungen bestätigten eine ausreichende Robustheit der reaktiven Partner, wodurch die Grundlage für potenzielle in vivo-Anwendungen geschaffen wurde.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde ein Konzept für schaltbare Zielzellerkennung entwickelt, bei dem Liganden nicht vorab auf der Nanopartikeloberfläche installiert, sondern erst bei Bedarf im biologischen Umfeld generiert werden. Als Proof-of-Concept wurde Angiotensin I als inaktiver Proligand mittels iEDDA an Nanopartikel gekoppelt und anschließend durch das Ectoenzym Angiotensin-Converting Enzyme (ACE) in den aktiven Angiotensin-II-Liganden überführt. Dadurch entstand ein zweistufiges Aktivierungs- und Erkennungssystem, das sowohl die enzymatische Prozessierung durch ACE als auch die Präsenz des AT1-Rezeptors auf der Zielzelle erfordert und somit eine zusätzliche Ebene der Spezifität bietet.
Abschließend wurde untersucht, ob sich die schaltbare Rezeptorerkennung auch in einer schaltbaren zellulären Aufnahme widerspiegelt. Während die ACE-vermittelte Ligandenaktivierung eine rezeptorspezifische Bindung ermöglichte, wurde keine gesteigerte zelluläre Internalisierung beobachtet, was die Bedeutung zusätzlicher biologischer und experimenteller Parameter für die Nanopartikelaufnahme unterstreicht. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die Kombination aus bioorthogonaler Chemie und enzymvermittelter Ligandenaktivierung einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung adaptiver Nanopartikel darstellt.
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