Johanna Späth [geb. Lutz]

• Based on previous results showing that thioether modification of gold nanoparticles (AuNPs), especially coating with a multivalent system, yielded in excellent colloidal stability, the first aim of this thesis was to prove whether functionalization of silver nanoparticles (AgNPs) with thioether also has a comparable or even enhanced stabilization efficacy compared with the gold standard of coating with thiols and, particularly, whether the multivalency of polymers leads to stable AgNPs conjugates. Herein, AgNPs coated with mono- and multivalentBased on previous results showing that thioether modification of gold nanoparticles (AuNPs), especially coating with a multivalent system, yielded in excellent colloidal stability, the first aim of this thesis was to prove whether functionalization of silver nanoparticles (AgNPs) with thioether also has a comparable or even enhanced stabilization efficacy compared with the gold standard of coating with thiols and, particularly, whether the multivalency of polymers leads to stable AgNPs conjugates. Herein, AgNPs coated with mono- and multivalent thiol- and thioether polymers were prepared to systematically investigate the adsorption kinetics onto the silver surface as well as the colloidal stability after exposure to different conditions relevant for biomedical application. Although the thioether-polymers showed a slower immobilization onto AgNPs, same or mostly even better stabilization was exhibited than for the thiol analogs. As multivalent thioether-poly(glycidol) (PG) is already proven as a promising candidate for AuNP modification and stabilization, the second aim of this thesis was to examine the stealth behavior of thioether-PG, side-chain functionalized with various hydrophobic (alkyl and cholesteryl) units, to gain a deeper understanding of AuNP surface functionalization in terms of protein adsorption and their subsequent cellular uptake by human monocyte-derived macrophages. For this purpose, citrate-stabilized AuNPs were modified with the amphiphilic polymers by ligand exchange reaction, followed by incubation in human serum. The various surface amphiphilicities affected protein adsorption to a certain extent, with less hydrophobic particle layers leading to a more inhibited protein binding. Especially AuNPs functionalized with PG carrying the longest alkyl chain showed differences in the protein corona composition compared to the other polymer-coated NPs. In addition, PGylation, and especially prior serum incubation, of the NPs exhibited reduced macrophage internalization. As the use of mammals for in vivo experiments faces various challenges including increasing regulatory hurdles and costs, the third aim of this thesis was to validate larvae of the domestic silkworm Bombyx mori as an alternative invertebrate model for preliminary in vivo research, using AuNPs with various surface chemistry (one PEG-based modification and three PG-coatings with slightly hydrophobic functionalization, as well as positively and negatively charges) for studying their biodistribution and elimination. 6 h and 24 h after intra-hemolymph injection the Au content in different organ compartments was measured with ICP-MS, showing that positively charged particles appeared to be eliminated most rapidly through the midgut, while AuNPs modified with PEG, alkyl-functionalized PG and negatively charged PG exhibited long-term bioavailability in the silkworm body.…
• Basierend auf früheren Ergebnissen, die zeigten, dass die Thioether-Modifikation von Gold-Nanopartikeln (AuNPs), insbesondere die Beschichtung mit einem multivalenten System, zu einer hervorragenden kolloidalen Stabilität führt, war das erste Ziel dieser Arbeit zu nachzuweisen, ob die Funktionalisierung von Silber-Nanopartikeln (AgNPs) mit Thioether-Polymeren ebenfalls eine vergleichbare oder sogar verbesserte Stabilisierungseffizienz im Vergleich zur Beschichtung mit Thiolen aufweist und ob insbesondere die Multivalenz der Polymere zu stabilenBasierend auf früheren Ergebnissen, die zeigten, dass die Thioether-Modifikation von Gold-Nanopartikeln (AuNPs), insbesondere die Beschichtung mit einem multivalenten System, zu einer hervorragenden kolloidalen Stabilität führt, war das erste Ziel dieser Arbeit zu nachzuweisen, ob die Funktionalisierung von Silber-Nanopartikeln (AgNPs) mit Thioether-Polymeren ebenfalls eine vergleichbare oder sogar verbesserte Stabilisierungseffizienz im Vergleich zur Beschichtung mit Thiolen aufweist und ob insbesondere die Multivalenz der Polymere zu stabilen AgNP-Konjugaten führt. Es wurden AgNPs hergestellt, die mit mono- und multivalenten Thiol- und Thioether-Polymeren beschichtet waren, um die Adsorptionskinetik an der Silberoberfläche sowie die kolloidale Stabilität nach Einwirkung verschiedener, für biomedizinische Anwendungen relevanter Bedingungen systematisch zu untersuchen. Obwohl die Thioether-Polymere eine langsamere Immobilisierung auf AgNPs zeigten, war die Stabilisierung gleich oder meist sogar besser als bei den Thiol-Analoga. Nachdem sich multivalentes Thioether-Poly(glycidol) (PG) bereits als vielversprechender Kandidat für die Modifizierung und Stabilisierung von AuNP erwiesen hat, bestand das zweite Ziel dieser Arbeit darin, das „Stealth“-Verhalten von PG, das mit verschiedenen hydrophoben (Alkyl- und Cholesteryl-) Einheiten funktionalisiert wurde, zu untersuchen. Dadurch sollte ein besseres Verständnis der AuNP-Oberflächenfunktionalisierung im Hinblick auf die Proteinadsorption und die anschließende zelluläre Aufnahme durch menschliche Makrophagen erlangt werden. Zu diesem Zweck wurden Citrat-stabilisierte AuNPs mit den amphiphilen Polymeren durch Ligandenaustauschreaktion modifiziert und anschließend in menschlichem Serum inkubiert. Die verschiedenen Oberflächen-Amphiphilizitäten beeinflussten die Proteinadsorption in gewissem Maße, wobei weniger hydrophobe Partikelschichten zu einer reduzierteren Proteinanreicherung führten. Insbesondere AuNPs, die mit PG mit der längsten Alkylkette funktionalisiert waren, zeigten Unterschiede in der Zusammensetzung der Proteinkorona im Vergleich zu den anderen polymerbeschichteten Partikeln. Darüber hinaus führte die PGylierung und insbesondere die vorherige Seruminkubation der NPs zu einer geringeren Internalisierung durch Makrophagen. Da die Verwendung von Säugetieren für In-vivo-Experimente mit verschiedenen Herausforderungen verbunden ist, wie zum Beispiel zunehmende regulatorische Hürden und Kosten, bestand das dritte Ziel dieser Arbeit darin, Larven der heimischen Seidenraupe Bombyx mori als alternatives wirbelloses Tiermodell für erste In-vivo-Forschungen zu prüfen, wobei AuNPs mit unterschiedlicher Oberflächenchemie (eine PEG-basierte Modifikation und drei PG-Beschichtungen mit leicht hydrophober Funktionalisierung sowie positiven und negativen Ladungen) zur Untersuchung ihrer Biodistribution und Eliminierung verwendet wurden. 6 Stunden und 24 Stunden nach der Injektion in die Hämolymphe wurde der Au-Gehalt in verschiedenen Organen mit ICP-MS gemessen. Unter allen getesteten AuNPs schienen positiv geladene Partikel am schnellsten durch den Mitteldarm eliminiert zu werden, während mit PEG, alkylfunktionalisiertem PG und negativ geladenem PG modifizierte AuNPs eine langfristige Bioverfügbarkeit im Seidenraupenkörper aufwiesen.…