Potential bakterieller Nanocellulose zur Herstellung von natürlichen, hochreinen, biokompatiblen Nanoträgern zur Gentherapie
Final Report Abstract
Bakterielle Nanocellulose (BNC), ein hochreines, natürliches Biopolymer zeichnet sich durch eine herausragende Biokompatibilität aus und wird bisher bevorzugt als Implantat, Wundauflage oder im Bereich Tissue Engineering eingesetzt. Im vorliegenden Antrag sollten aus der BNC die nanokristallinen Anteile kontrolliert herausgereinigt und so oberflächenmodifiziert werden, so dass sie zum ersten Mal in Form von Nanopartikeln (so genannte Nanowhisker oder NCC) als nicht-virales Trägersystem für den sicheren und effizienten Transport von Plasmid-DNA für die Gentherapie genutzt werden können. Partikel aus mikrokristalliner Cellulose (MCC) dienten als Vergleich. Verschiedene Technologien zur säurehydrolytischen, enzymatischen und oxidativen Herstellung sowie verschiedene Ausgangsmaterialien wurden zur Gewinnung von NCCs systematisch verglichen, geeignete Techniken optimiert und durch das Verständnis des Einflusses der Prozessparameter auf die Eigenschaften der Nanowhisker, die Endprodukte je nach Anwendung kontrollierbar hergestellt. Die Effekte der unterschiedlichen Cellulose-Arten sowie der Variation der Herstellungsbedingungen auf die physikochemischen Eigenschaften wie Oberflächenladung, Form, Oberflächenbeschaffenheit und Größe sowie Größenverteilung der hergestellten Nanowhisker wurden gezeigt. Lagerbare Formen konnten durch Gefriertrocknung unter Zusatz von Additiven hergestellt werden. Alle getesteten Nanowhisker unabhängig von den Herstellungsparametern und ihren Eigenschaften zeigten in Zellkulturexperimenten weder im Langzeittest noch im Kurzzeittest zyto- oder hämotoxische Eigenschaften. Die hervorragende Verträglichkeit wurde zusätzlich in vivo in einem schalenlosen Hühnereimodell bestätigt. Unter optimierten Bedingungen wurden mit einer Layer-by-Layer-Technologie unter Verwendung von Plasmiden und verschiedenen Polyethyleniminen stabile, kationische, beladene Nanowhisker gewonnen, die mit hoher Biokompatibilität Zellen transfizieren konnten. Der Einsatz von BNC als nachhaltiges Ausgangsmaterial in Kombination mit optimierten Herstellungsverfahren, zielgerichteten Oberflächenmodifikationen und damit verbundene Struktur-Funktions-Untersuchungen haben die Nanowhisker erstmals als „grünes“ Trägermaterial für bioaktive Stoffe wie Nukleinsäuren etabliert.
Publications
- Bakterien helfen heilen – Bakterielle Nanocellulose als Arzneistoffträgersystem. DAZ 152 (36) (2012) 4310-4316
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- Nanowhisker aus bakterieller Nanocellulose: Herstellung und Charakterisierung. 9. Thüringer Biomaterial-Kolloquium, 05. September 2013, Zeulenroda
H. Ahrem, D. Klemm, D. Fischer
- Nanowhisker aus bakterieller Nanocellulose: Untersuchungen zur Cyto- und Hämokompatibilität. DGBM Jahrestagung, 26.-28. September 2013, Erlangen
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- Nanowhisker aus bakterieller Nanocellulose: Eignung als Trägermaterial zur Gentherapie. DGBM Jahrestagung, 6.-8. November 2014, Dresden
- Bacterial nanocellulose whiskers as drug delivery system for nucleic acids. CRS German Chapter Annual Meeting, 12.-13. Februar 2015, Muttenz, Schweiz
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- Biocompatibility matters: reducing the toxicity of nonviral vectors. Future Science book series: Advances and Challenges in the Delivery of Nucleic Acid Therapeutics Vol 2. 2015. S. 116-128
Y. Pötzinger, H. Ahrem, D. Fischer
(See online at https://doi.org/10.4155/fseb2013.13.64) - Nanowhisker aus bakterieller Nanocellulose als Drug Delivery System für Nukleinsäuren. 10. Thüringer Biomaterial-Kolloquium, 15.-17. September 2015, Zeulenroda
Y. Pötzinger, H. Ahrem, M. Rabel, D. Klemm, D. Fischer
