Biofunctionalized mesoporous silica for controlled release applications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Axel Schloßbauer

Axel Schlossbauer

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 29
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
der Fakultät für Chemie und Pharmazie
der Ludwig-Maximilians-Universität München



Biofunctionalized Mesoporous Silica for Controlled
Release Applications


vorgelegt von
Axel Schloßbauer
aus
München





2010 Erklärung
Diese Dissertation wurde im Sinne von § 13 Abs. 3 bzw. 4 der Promotionsordnung vom 29.
Januar 1998 von Herrn Professor Thomas Bein betreut.

Ehrenwörtliche Versicherung
Diese Dissertation wurde selbständig, ohne unerlaubte Hilfe erarbeitet.

München, am .....................................



.............................................................................
(Unterschrift des Autors)








Dissertation eingereicht am: ......................................
1. Gutacher: Prof. Dr. Thomas Bein
2. Gutachter: Prof. Dr. Christoph Bräuchle
Mündliche Prüfung am: 14.12.2010
Danksagung

Für die freundlich Aufnahme in seinen Arbeitskreis, das Vertrauen und die bereitgestellte
Freiheit, welche ich während meinen Forschungsarbeiten genießen durfte möchte ich mich bei
meinem Doktorvater Professor Thomas Bein herzlich bedanken. Das interessante
Forschungsthema und das freundliche Arbeitsklima in seiner Gruppe haben mich über die
gesamte Zeit sehr motiviert. Außerdem bedanke ich mich für die bereitgestellten
Empfehlungsschreiben für die Römer-Preise für Diplom- und Doktorarbeit sowie für meinen
anstehenden Post-Doc-Aufenthalt in Kalifornien.
Professor Christoph Bräuchle möchte ich ebenfalls sehr herzlich danken für die interessanten
Kooperationsmöglichkeiten mit einem meist sehr erfolgreichen Ausgang. Die bereitgestellten
Empfehlungsschreiben für meinen Post-Doc-Aufenthalt in Santa Barbara waren äußerst
hilfreich. Zusätzlich bedanke ich mich für die Erstellung des Zweitgutachtens zu dieser
Arbeit.
Ich bedanke mich sehr bei Anna M. Sauer aus dem Arbeitskreis Prof. Bräuchle für ihre
unermüdliche Ausdauer am Mikroskop, die uns ein paar schöne Erfolge beschert hat. In
diesem Zusammenhang bedanke ich mich auch bei Dr. Nadia Ruthardt für die wichtigen
Diskussionen.
Ich möchte mich auch bei meinen Kooperationspartnern aus der Pharmazie bedanken,
Professor Ernst Wagner, David Schaffert und Christian Dohmen, welche immer wohlwollend
meine Vorschläge aufgegriffen, verbessert und mit mir gemeinsam in die Realität umgesetzt
haben.
Eine weitere erfolgreiche Kooperation gab es zwischen unserem Arbeitskreis, dem
Arbeitskreis von Professor Thomas Carell und der Firma Baseclick GmbH, namentlich Simon
Warncke und Philipp Gramlich. Die große Unterstützung in der Bereitstellung der
hochfunktionellen DNA hat eine tolle Publikation ermöglicht.
Das angenehme Arbeitsklima im AK Bein ist natürlich auch den netten Kollegen zu
verdanken, welche ich glücklicherweise in der Doktorarbeit kennenlernen durfte.
Dr. Johann Kecht hat mich bis zum Ende seiner Promotion wirklich erstklassig betreut und
eingearbeitet.
Dr. Valentina Cauda danke ich für die Spitzenkooperationen und wünsche ihr viel Glück in
ihrem neuen, alten Leben.
Mein Büro mit Mirjam und Jörg (wir haben es tatsächlich geschafft, den Dreierpack) war
immer gut für ne kleine Auszeit. Ich wünsche euch weiterhin viel Glück! Schon weg, aber ebenfalls sehr nette Kollegen waren Hendrik, Johannes, Camilla, Anderl,
Lea (danke fürs empfehlen), Monika und Olivier, welche alle immer mit ihrer Altdoktoranden
bzw. Post-Doc Weisheit mit Rat und Tat zur Seite standen.
Noch da, und ebenfalls äußerst nette Kollegen waren Benni (der mich das ganze Studium
begleitet hat), Christian, Alexandra, Fabian, Vesna, Yan, Yujing, Stefan, Florian Auras, Hans,
Norma, Johann, Alesja, Dina, Karin, Flo HiHo (die Band passt schon!), Andi und Kun. Danke
euch für die netten Kaffeepausen und Konferenzen
Danke an Markus und Steffen für diverse TEM-Sessions (waren viele Rotzproben, ich
weiss...)
Ein besonderer Dank gilt Bastian Rühle für die tollen Grafiken in 3D für meine Paper und das
Angewandte-Titelblatt.
Ralf und Doro (Das Paper kommt schon noch raus!), danke euch auch fürs Kontakthalten.
Hoffentlich kommt ihr im Dezember noch mal vorbei!
Großen Dank auch an Regina, die in meinem Papierkramchaos immer den Überblick behalten
hat, Tina Reuther für viele Messungen und Unterstützung in der Besorgung exotischer
Labormaterialien.
CeNS möchte ich danken für die finanzielle Unterstützung meiner Forschung, ebenso großen
Dank an die Dr.-Klaus-Römer-Stiftung für die großzügige Vergabe von Preisgeldern.
Der größte Dank gilt meiner Familie, welche durch ihre Unterstützung mein Studium und die
Doktorarbeit erst ermöglicht hat.









Abstract
Host-Guest chemistry based on mesoporous silica materials has attracted increasing attention
in the past two decades. Potential applications for these functionalized materials are in the
fields of controlled drug delivery, catalysis, separation or encapsulation of functional
biomolecules.
The present work is focused on the synthesis of nanosized, mesoporous drug delivery devices,
which are able to release a preloaded drug as a result of a certain trigger action, e.g. during the
endocytosis in a cancer cell. For this purpose, several different synthesis strategies had to be
developed in order to incorporate the different required functional groups within one
mesoporous silica nanoparticle.
A spatial separation of two different functionalities was achieved by the development of a
sequential co-condensation approach. With this approach, core-shell bifunctionalized
colloidal mesoporous silica could be synthesized. The obtained particles are an important
prerequisite for other systems presented in this work.
The applicability of the copper-(I)-catalyzed Huisgen reaction (click reaction) as mild
synthetic tool for the immobilization of biomolecules in the channels of mesoporous silica
was investigated. In this joint project between our group and the research group of Prof. Ernst
Wagner (LMU), it was shown that a sensitive enzyme can be immobilized with this strategy
in the pores of SBA-15. It was demonstrated that the recoverability and long-term stability of
the active enzyme benefits from the encapsulation in the host.
The well-known strong biotin-avidin interaction was used for the construction of a protease-
responsive cap system for controlling the release from colloidal mesoporous silica.
Fluorescein was released from the nanoparticles as a model compound for small drug
molecules. In order to monitor the release, a custom-made two-compartment fluorescence
cuvette was designed. Thermoresponsive opening through protein denaturation was
demonstrated for temperatures higher than 90 °C. A programmable opening temperature for this concept became possible by using DNA-linkers
between the silica surface and the avidin cap. It was demonstrated that the length of the
double-stranded DNA controls the opening temperature of the avidin cap. This work was
carried out as a join project between our group, the research group of Prof. Thomas Carell
(LMU) and the baseclick GmbH.
Redox-responsive drug delivery was investigated in living cells. In this context, the release of
disulfide-linked, dye-labeled cystein from the core of colloidal mesoporous silica was
monitored by confocal fluorescence microscopy at a single cell level, in collaboration with the
research group of Prof. Christoph Bräuchle. It was shown by photoinduced endosomal rupture
that the endosomal escape is a bottleneck in redox-based drug delivery.
This concept was extended through the synthesis of photosensitizer-functionalized,
PEGylated colloidal mesoporous silica. It was demonstrated that particle-loaded endosomes
collapse under irradiation with 405 nm light and release the particles into the cytosol.
In another joint project between the groups of Prof. Bein, Prof. Bräuchle, Prof. Rädler and
Prof. Leonhardt together with Dr. Ulrich Rothbauer (all LMU), the novel photosensitizer-
functionalized porous nanoparticles were used as carriers for the delivery of small GFP-
binding antibodies from Camelidae sp. into GFP-tubulin expressing HuH7 cancer cells.
Additionally, the particles were encapsulated by a supported lipid bilayer. The attached
photosensitizer was shown to play a key role in the delivery mechanism. Light-irradiation was
used to destroy both surrounding membranes (supported lipid bilayer and endosomal
membrane).
Finally, the pH-responsive release of the membrane-intercalating peptide mellitin from a
mesoporous SBA-15 host was demonstrated. This was possible through the use of pH-
sensitive acetal linkers. The release of the peptide was shown by the lysis of mouse
erythrocytes. This work was carri