The application of highly potent therapeutic agents is often limited by unfavorable biodistribution and rapid systemic clearance, preventing sufficient drug accumulation at the target site. Nanoparticle-mediated delivery offers several fundamental advantages to address these challenges. By encapsulating the active pharmaceutical ingredient (API), nanoparticles (NPs) can compensate for the API's unfavorable intrinsic drug properties by transferring their own advantageous physicochemical characteristics and thereby prolonging systemic circulation and improving bioavailability. Furthermore, functionalization with biorecognition molecules enables active targeting of diseased tissue, thereby improving therapeutic efficacy. Nevertheless, off-target delivery remains a major limitation, as more than 90% of administered NPs fail to reach their intended site. This inefficiency has been associated with factors such as rapid opsonization, clearance by the mononuclear phagocyte system, and limited ligand specificity, which may contribute to interactions with ubiquitously expressed receptors. To address this drawback, NPs responsive to endogenous and/or exogenous stimuli have been developed. Among these stimuli, light is particularly promising, because it is non-invasive and orthogonal to the biochemical environment and enables precise spatiotemporal control. This thesis discusses current strategies for light-controlled drug targeting and approaches to overcome the limited penetration depth of light in biological tissue. In this context, a light-responsive NP system with switchable surface charge was developed. The NPs were functionalized with a cell-penetrating peptide (CPP), whose positive charge was temporarily masked by a photo-labile protecting group (PPG). In the caged state, NP-cell interaction was significantly suppressed. Upon light irradiation, removal of the PPG restored the CPP’s functionality, resulting in enhanced cellular internalization. Given the limited penetration depth of ultraviolet light required for activation, this work further explores bioluminescence as an endogenous energy source for NP activation. To this end, bioluminescent NPs were engineered through immobilization of the luciferase NanoLuc onto polymeric NP surfaces. A modified NanoLuc variant demonstrated efficient immobilization while retaining enzymatic activity, thereby establishing a robust platform for subsequent system development. Building on the concepts of photo-responsive and bioluminescent NPs, the feasibility of bioluminescence-responsive NPs was investigated. Therefore, a PPG whose absorption better aligns with NanoLuc emission, was implemented into the CPP-modified nanoparticles. However, incorporation of the new PPG did not alter the physicochemical or biological properties of the photocaged nanoparticles. Nonetheless, successful excitation of the PPG upon luciferin addition was observed in NP systems containing both NanoLuc and the PPG. This indicates efficient bioluminescence resonance energy transfer on the NP surface, confirming the fundamental feasibility of a bioluminescent-responsive NP design.

Der Einsatz hochpotenter therapeutischer Wirkstoffe wird häufig durch eine ungünstige Biodistribution und eine schnelle systemische Elimination eingeschränkt, wodurch eine ausreichende Anreicherung des Wirkstoffs am Zielort verhindert wird. Nanopartikel (NP) als Transportsysteme bieten mehrere grundlegende Vorteile, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Durch die Einkapselung des pharmazeutischen Wirkstoffs können NP die ungünstigen intrinsischen Eigenschaften des Wirkstoffs ausgleichen, indem sie ihm ihre eigenen vorteilhaften physikalisch-chemischen Eigenschaften übertragen. Dadurch können die systemische Zirkulationszeit verlängert und die Bioverfügbarkeit verbessert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Funktionalisierung mit Liganden eine gezielte Ansteuerung von erkranktem Gewebe, wodurch die therapeutische Wirksamkeit verbessert wird. Trotzdem erreichen mehr als 90 % der verabreichten NP nicht ihr Zielgewebe. Die geringe Anreicherung im Zielgewebe wird mit schneller Opsonisierung, Clearance durch das mononukleäre Phagozytensystem und begrenzter Ligandenspezifität in Verbindung gebracht. Letzteres soll durch die Entwicklung von stimuli-responsiven NP verbessert werden. Diese können durch endogene und/oder exogene Reize ihre Eigenschaften verändern und somit für eine spezifischere Aufnahme sorgen. Licht ist ein besonders vielversprechender Stimulus, da es nicht-invasiv und orthogonal zur biochemischen Umgebung ist. Dies ermöglicht es eine präzise räumlich und zeitliche Steuerung. Diese Arbeit erörtert aktuelle Strategien für den lichtgesteuerten Wirkstofftransport sowie Ansätze zur Überwindung der begrenzten Eindringtiefe von Licht in biologisches Gewebe. Es wurde ein licht-responsives NP-System mit schaltbarer Oberflächenladung entwickelt. Dabei wurden die NPs mit einem zellpenetrierenden Peptid (CPP) funktionalisiert, deren positive Ladung vorübergehend durch eine photolabile Schutzgruppe (PPG) maskiert wurde. Im geschützten Zustand war die Interaktion zwischen NPs und Zellen deutlich reduziert. Die PPG wurde durch Lichtbestrahlung abgespalten, sodass die Funktionalität des CPP wiederhergestellt und die Aufnahme in die Zelle erhöht wurde.
Aufgrund der begrenzten Eindringtiefe des UV-Lichts wurde in dieser Arbeit zudem die Biolumineszenz als endogene Energiequelle zur Aktivierung von NPs untersucht. Zu diesem Zweck wurden biolumineszente NPs durch Immobilisierung der Luciferase NanoLuc auf der Oberfläche polymerer NPs entwickelt. Eine modifizierte NanoLuc-Variante ließ sich effizient immobilisieren, ohne dabei ihre enzymatische Aktivität einzubüßen, und bildete damit eine Grundlage für die weitere Systementwicklung.
Aufbauend auf den Konzepten licht-responsiver und biolumineszenter NPs wurde die Realisierbarkeit biolumineszenz-responsiver NPs untersucht. Hierzu wurde eine PPG in die CPP-modifizierten NP integriert, deren Absorptionsspektrum besser mit dem Emissionsspektrum der NanoLuc übereinstimmt. Die Integration der neuen PPG führte jedoch zu keiner Veränderung der physikochemischen oder biologischen Eigenschaften der photogeschützten NP. Bei dem NP-System mit integrierter Luciferase und PPG ließ sich nach Luciferinzugabe dennoch eine Aktivierung der PPG feststellen. Dies weist auf einen effizienten Biolumineszenz-Resonanzenergietransfer an der NP-Oberfläche hin und unterstreicht die prinzipielle Umsetzbarkeit eines biolumineszenz-responsiven NP‑Systems.