English China

Gentherapie Neuartige Biopolymere helfen bei der Gentransfektion

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Gentherapie dient zur Behandlung von Erbkrankheiten. Hierbei werden Gene durch Gentransfektion an exakt definierten Stellen in Zellen eingebracht. Hierzu kann eine Klasse von neuen Bioploymeren verwendet werden. Sie dürfen allerdings keine Zytotoxizität aufweisen.

Firmen zum Thema

Abb. 1: Design von abbaubaren PDMAEMA als nichtvirale Gentransfektionssysteme: Copolymerisation zyklischer Ketenacetale und DMAEMA. (Bild: Uni Marburg)
Abb. 1: Design von abbaubaren PDMAEMA als nichtvirale Gentransfektionssysteme: Copolymerisation zyklischer Ketenacetale und DMAEMA. (Bild: Uni Marburg)

Für Anwendungen in der Verpackung, Landwirtschaft, Medizin und Pharmazie sind bioabbaubare Polymere eine wichtige Materialklasse. Doch kann diese Klasse der Polymere auch in der Gentransfektion (Gentherapie) eingesetzt werden: An der Universität Marburg wurde dazu eine neuartige Synthese bioabbaubarer Polymere entwickelt. Neben der Synthese sind auch die Analysenmethoden wichtig, die zur Bewertung dieser Polymere für Eignung in der Gentransfektion notwendig sind. Eine große Zahl klassischer bioabbaubarer Polymere für medizinische und nichtmedizinische Anwendungen basiert auf Homo- und Copolyestern von Glykolid, Laktid, ε-Caprolakton oder Dioxanon. In der Regel werden diese Polyester entweder durch ringöffnende Polymerisation (ROP) zyklischer Ester oder durch Polykondensation (Kondensation von Disäuren und deren Derivaten mit Diolen) synthetisiert. Eine neue Synthese von Polyestern, die bislang nicht umfangreich untersucht wurde, ist die Synthese durch radikalische ringöffnende Polymerisation (RROP) zyklischer Ketenacetale.

Zyklische Ketenacetale (CKAs) sind Isomere der analogen Laktone. Sie können Radikale an der vinylischen Doppelbindung addieren, um anschließend entweder unter Ringöffnung, Ringerhaltung oder einer Kombination aus diesen beiden Möglichkeiten weiter zu reagieren. In der Marburger Gruppe wurde die radikalische Copolymerisation von klassischen Vinylmonomeren, z.B. Styrol, Methylmethacrylat usw., mit Ketenacetalen untersucht [1]. Die erhaltenen Copolymere sind aufgrund der eingebauten Estergruppen bioabbaubar.

Bildergalerie

Einsatz von Biopolymeren in der Gentransfektion

Eines der Anwendungsgebiete dieser neuen bioabbaubaren Copolymere ist die nicht-virale Gentransfektion. Die Gentransfektion ist eine vielversprechende Technik für die Therapie von Gendefekten oder Erbkrankheiten. Nicht-virale Gentransfektionssysteme sind z.B. nackte Plasmid-DNS, Lipoplexe (DNS komplexiert an kationische Lipide), Polyplexe (Nukleinsäurekomplexe mit Polykationen) und DNS verkapselt in einer Matrix aus bioabbaubaren Polymeren. Kationische Polymere können aufgrund des Polyanionencharakters der DNS über elektrostatische Wechselwirkungen Polyplexe bilden. Poly(ethylenimin) (PEI) ist ein Beispiel eines intensiv untersuchten Polykations für die Polyplexbildung mit DNS und stellt einen Goldstandard mit Puffereigenschaften für die Gentransfektion dar (bei physiologischem pH-Wert sind nur 25% der Amingruppen protoniert). PEI ist jedoch zytotoxisch (IC50 bei rund 30 µg/ml) [2]. Aufmerksamkeit erzielte kürzlich Poly(dimethylaminoethylmethacrylat) (PDMAEMA) als nichtvirales Gentransfektionssystem mit Puffereigenschaften und einer geringeren Zytotoxizität (IC50 etwa 40 µg/ml) (pKa = 7,5). Dieses Polymer wird durch radikalische Polymerisation aus dem entsprechenden Monomer hergestellt und wurde als Vektor in Gentransfektionssystemen beschrieben. Es enthält tertiäre Amine für die Komplexierung von z.B. DNS und erreicht 90% der Transfektionsrate von PEI (verzweigtes PEI, 25 kDa) oder einer Lipidformulierung wie Lipofectamine. Seitdem wurden verschiedene Aspekte dieses Transfektionsagens diskutiert: der Einfluss des Molekulargewichtes, die Polyplexgröße ebenso wie die Transfektionsparameter wie pH-Wert, Ionenstärke, Temperatur, Viskosität, Polymer/Plasmid-Verhältnis und die Gegenwart von Stabilisatoren auf dessen Transfektionsrate [3-5]. Trotz all dieser Forschungen bleibt das Kernproblem von Polykationen wie PEI und PDMAEMA, dass sie nicht abbaubar sind, eine deutliche Toxizität zeigen und einer deutlichen Verbesserung der Transfektionsraten bedürfen. Um das Problem der Nichtabbaubarkeit von PDAEMA zu lösen, haben die Marburger Wissenschaftler ein weniger toxisches und abbaubares PDMAEMA hergestellt, indem sie Esterverknüpfungen in das PDMAEMA-Rückgrat integrierten. Dies wurde durch freie radikalische Copolymerisation von zyklischen Ketenacetalen 5,6-Benzo-2-methylen-1,3-dioxepan (BMDO) mit N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) erreicht (s. Abb. 1) [6].

(ID:27354890)