Biomedizinische Anwendung von Nanodiamant: Untersuchungen zu den Wechselwirkungen mit der biologischen Umgebung und zur gezielten Wirkstofffreisetzung

Autor: Schweeberg, Sarah
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2019
Předmět:
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Popis: Nanodiamant bietet in der Medizin und in der Biologie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten aufgrund der guten Biokompatibilität und geringen Toxizität. Durch die umfangreichen Funktionalisierungsmöglichkeiten der Oberfläche der nanometergroßen Partikel können viele unterschiedliche Wirkstoffe, Rezeptormoleküle oder Peptidsequenzen angebunden werden, die zusammen mit Nanodiamant ein anderes, durchaus besseres Wirkprofil aufweisen als der Wirkstoff allein. Ziel dieser Arbeit war die Synthese eines pH-labilen Linkersystems, dass hydroxylhaltige Wirkstoffe kovalent bindet und zusammen mit Nanodiamant in die Zelle, in der ein saurer pH-Wert herrscht, eingeschleust werden. Über die Änderung des pH-Wertes in der Zelle soll der Wirkstoff freigesetzt werden und seine Wirkung entfalten können. Weiterhin wurde ein pH-labiles Linkersystem auf der Basis eines Hydrazons hergestellt. Über das synthetisierte Hydrazinderivat können Wirkstoffe, die über eine Aldehyd- oder Ketonfunktion verfügen angebunden werden und pH-labil in der Zelle freigesetzt werden. Zusätzlich trägt der Nanodiamant ein kovalent angebundenes Targeting-Molekül, welches eine verbesserte Adressierung der Wirkorte gewähr¬leisten soll. Die Freisetzung wurde mittels UV-Vis-Spektroskopie detektiert und ausgewertet. Neben der spezifischen Funktionalisierung von Nanodiamant besitzt auch die Interaktion der Nanodiamantpartikel mit biologischen Medien eine besondere Bedeutung für zukünftige biomedizinische Anwendungen. Wenn die Partikeloberfläche durch Proteinadsorption gegenüber dem Wirkort abgeschirmt wird, so kann der angebundene Wirkstoff gegebenenfalls nicht freigesetzt werden und somit nicht seine Wirkung entfalten und bleibt letztlich ungenutzt. So war es von besonderem Interesse die Wechselwirkungen von Nanodiamant in Humanserum und auch weiteren physiologischen Medien zu untersuchen. Dabei wurden sowohl freie Nanodiamantpartikel als auch solche, die auf klinisch bereits eingesetzten Gerüstmaterialien im Bereich der Therapie großer Knochendefekte adsorbiert waren, untersucht. Auch wurden die Wechselwirkungen von Nanodiamant mit der physiologischen Umgebung untersucht, die zur Agglomeration der Nanopartikel führen können. Es wurde ein unter¬schiedliches Agglomerationsverhalten der Nanodiamanten in wässriger Umgebung verglichen mit Nanodiamanten in physiologischen Medien sowie deren Stabilität im Serum beobachtet. Durch die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen konnten wichtige Erkenntnisse zur Wechselwirkung verschieden präparierter und funktionalisierter Nanodiamanten mit physiologisch relevanten Umgebungen sowie zu stimuli-responsiven Wirkstofffreisetzung aus Nanodiamant-Konjugaten gewonnen werden. Zudem wurde mit der Untersuchung der angelagerten Proteine um Nanodiamant ein erster Schritt in Richtung eines umfassenden Verständnisses der Wechselwirkung dieses Materials mit biologischen Umgebungen unternommen. Auch wenn diese Wechselwirkungen sehr komplex sind, so sind erste Aussagen bezüglich der Art der angelagerten Proteine möglich. Erste Versuche der Stabilisierung von Nanodiamant in physiologischen Medien wurden ebenfalls erfolgreich durchgeführt und zeigen eine effiziente und einfache Möglichkeit, Nanodiamant in biologischen Medien vor der Agglomeration zu bewahren. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse bezüglich mehrfacher Funktionalisierungsmöglichkeiten von Nanodiamant sowie dessen Stabilisierung in physiologischen Medien zeigen die breite Anwendungsmöglichkeit und das enorme Potential von Nanodiamant im Bereich medizinischer und biologischer Anwendungen auf.
Nanodiamond offers various possible applications in medicine and biology because of its good biocompatibility and low toxicity. Due to the extensive opportunities functionalizing the surface of the nanosized particles it is possible to bind a lot of different active pharmaceutical ingredients (API), receptor molecules or peptide sequences. This functionalization can result in an improved efficacy compared to the profile of the drug alone. The aim of this thesis was the synthesis of a pH-labile linkersystem which covalently binds hydroxyl group-containing APIs and transfer them together with nanodiamond into the cells, where an acidic environment is predominant. Because of the change of the pH-value the drug gets released and can take its effect. Furthermore, a pH-labile linkersystem based on the formation of a hydrazon bond was synthesized. APIs containing an aldehyde or a ketone can be linked to the synthesized hydrazine derivative 70 and be released in cells due to the acid-labile bond. Additionally, the nanodiamond has a covalently bound targeting molecule to assure an improved uptake into the cell. The release of Doxorubicin was detected and evaluated via UV-Vis-spectroscopy. Besides the specific functionalization, the interaction of nanodiamond particles with biological media is gaining more and more importance regarding future biomedical applications. If the particle surface is shielded with proteins it is possible that the linked drug cannot be released, remains unused and cannot develop its desired effect. Because of this reason it was of main interest to examine the interactions of nanodiamond in human serum and further physiological media. Nanodiamond without further functionalization were analysed as well as nanodiamonds which are adsorbed on materials that are already in clinical usage in the field of greater bone defects. The interactions of nanodiamond with a physiological environment which can lead to the agglomeration of the particles was also examined. A different agglomeration bahaviour of nanodiamond in aqueous media was compared to nanodiamond in physiological media as well as their stability in serum. Due to the presented studies in this thesis important insights into the interactions of functionalized and different prepared nanodiamonds with physiological relevant environments as well as with stimuli-responsive drug release from nanodiamond conjugates were obtained. Furthermore, the examinations of the attached proteins around nanodiamond is the first step getting towards a better comprehensive understanding of the interactions of this material with its biological environment. Even if these interactions are very complex, first statements according to the type of attached proteins are possible. First trials of stabilizing nanodiamond in physiological media have been carried out successfully and demonstrate an easy and effective way to hinder agglomeration of nanodiamond in biological media. Finally, the insights gained in this thesis regarding the multiple possibilities of nanodiamond as well as their stabilization in physiological media offers a broad range of applications and the tremendous potential of nanodiamond in the field of medical and biological research.
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