Mesoporöse Silikananopartikel als Transportsysteme für miRNA und Wirkstoffmoleküle für die Therapie von Krebsstammzellen

Abstract

Durch den selektiven Transport biologisch relevanter Substanzen in Krebs(stamm)zellen können Nebenwirkungen reduziert und die Effizienz von Therapien erhöht werden. Mesoporöse Silikananopartikel (MSN) sind aufgrund ihrer Eigenschaften eine ideale Plattform für die Entwicklung solcher partikulären Systeme. Durch Variation der Partikelmorphologie und größe sowie Porengröße und Oberflächenfunktionalisierung kann das biologische Verhalten der MSN sowie die Interaktion mit Wirkstoffmolekülen gesteuert werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von MSN basierten Transportsystemen für Wirkstoffe und miRNA in Krebsstammzellen.

MSN wurden durch die Kombination des Sol Gel Prozesses mit dem Endotemplatverfahren hergestellt. Durch Variation der Syntheseparameter gelang es, sphärische nichtporöse und mesoporöse Silikananopartikel unterschiedlicher Porengröße zu synthetisieren. Zudem konnte durch Änderung der Reaktionsbedingungen, wie Tensid und Präkursorkonzentration, Temperatur sowie Ethylenglykol Konzentration die Morphologie und Größe der resultierenden MSN beeinflusst werden.

Der Einfluss der Ladung und der daraus resultierenden Proteinadsorption auf die gezielte Aufnahme antikörperfunktionalisierter MSN wurde durch die Aufnahme in leukämischen Stammzellen untersucht. Die Funktionalisierung aminofunktionalisierter MSN (MSN_NH2) mit unterschiedlichen Mengen Bernsteinsäureanhydrid ermöglichte die sukzessive Veränderung der Oberflächenladung. Der Einfluss der Oberflächenladung auf Partikeleigenschaften bzw. stabilität unter physiologischen Bedingungen wurde mittels SDS PAGE, STORM, DLS und ICP OES untersucht. Die biologische Evaluation erfolgte anhand muriner B220 positiver CALM/AF10 Zellen. Hierbei zeigten MSN_NH2, die mit 0,4 mmol/g Bernsteinsäureanhydrid (MSN_c3) und dem Antikörper anti B220 funktionalisiert wurden, die höchste spezifische Aufnahme. Die Präinkubation der Partikel in Serum verminderte, bedingt durch steigende Proteinadsorption und Ablösung der Antikörpermoleküle, die selektive Aufnahme der Partikel. Durch den Transport des Zytostatikums Daunorubicin mittels antikörperfunktionalisierter MSN_c3 konnten in vitro selektiv CALM/AF10 Zellen getötet und deren Auswirkungen in Mäusen beeinflusst werden.

Die Funktionalisierung von MSN mit Glucosederivaten kann die gezielte Aufnahme von MSN in Krebs(stamm)zellen mit höherer glykolytischer Aktivität steigern. Durch die Funktionalisierung unterschiedlich modifizierter MSN mit Glucosederivaten gelang es, Einfluss auf die resultierende unspezifische Proteinadsorption zunehmen. Hierbei zeigten Glucuronsäure funktionalisierte MSN_NH2 die geringste Menge an adsorbierten Proteinen, wobei die Morphologie der Partikel keinen Einfluss hatte. Eine erhöhte Aktivität des Notch Signalweges wird in Brustkrebsstammzellen mit einer aggressiven Metastasenbildung und Therapieresistenz assoziiert. Durch den Einsatz von Glucosederivat funktionalisierten MSN, welche mit dem Notch inhibierenden ɣ Sekretase Inhibitor DAPT beladen wurden, konnte sowohl in vitro als auch in vivo der Krebsstammzellpool reduziert und das Tumorwachstum inhibiert werden.

Die Beladung von MSN mit Oligonukleotiden sowie deren Freisetzung wurde in Abhängigkeit der Oberflächenfunktionalisierung und der Porengröße bzw. spezifischen Oberfläche untersucht. Hierbei zeigte sich deutlich, dass die Wechselwirkung zwischen negativ geladener DNA und den Partikeln von deren Oberflächenladung unter den jeweiligen Bedingungen abhing. Durch die Beladung von nichtporösen und mesoporösen Silikananopartikeln konnte gezeigt werden, dass sich die adsorbierte DNA in den Poren der Partikel befand und daraus eine geringere Freisetzung im Vergleich zu nichtporösen Partikeln resultierte. Durch den Transport der therapeutisch relevanten miR 193a 3p konnte in vitro in leukämischen Hoxa9/Meis1 Zellen Einfluss auf deren Gen Expression genommen werden. Dies zeigte sich durch eine verminderte c Kit Expression der Zellen.

Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich MSN aufgrund der hohen Biokompatibilität sowie spezifischen Oberflächen hervorragend für den Einsatz als Transportsysteme in biologischen Systemen eignen. Durch die hohe Variabilität der Oberflächenfunktionalisierung der MSN gelang es, das Material an die für die jeweilige Applikation erforderlichen Bedingungen anzupassen. Der erfolgreiche Transport von Medikamenten sowie miRNA mithilfe von MSN in Krebs(stamm)zellen konnte in vitro und in vivo anhand von Modellsystemen demonstriert werden. Die Verwendung solcher Transportsysteme in der Krebstherapie ist ein vielversprechender Ansatz zur Minimierung von Nebenwirkungen und Erhöhung von Therapieerfolgen.