Evaluation of novel lipopolymers to impart stealth-like properties to liposomes : = Untersuchung neuer Lipopolymere zur Zirkulationszeitverlängerung von Liposomen

Abstract: Enhanced blood circulation time is a crucial parameter for the successful therapy with nanocarriers. Among them liposomes are the most prominent delivery systems with many examples that successfully translated into the clinic. Opsonization and subsequent rapid clearance are the main hurdles for unmodified liposomes. As a consequence, the main strategy to achieve enhanced circulation (stealth) properties is to reduce opsonization and alter opsonization profiles.

In general, surface modification with poly(ethylene glycole) (PEG) is the most relevant strategy to impart stealth properties to lipid-based drug-delivery systems so far. Nevertheless, due to drawbacks including hypersensitivity reactions, also termed complement activation-related pseudoallergy (CARPA) and the so called `PEG dilemma’, which results in decreased uptake of surface modified liposomes, the investigation for alternative strategies is ongoing.
In this work, two different types of lipopolymers were investigated as alternatives to circumvent some of the drawbacks of PEG.

In the first part of the thesis, surface modification of liposomes with oligo(amidoamine)s including a cleavable GFLG sequence was investigated. Oligo(amidoamine)s were effectively inserted into the bilayer of liposomes and enhanced the circulation time in vivo in the zebrafish model compared to unmodified liposomes. Nevertheless, circulation properties of liposomes modified with oligo(amidoamine)s were inferior compared to PEGylated liposomes. Similar to PEGylated liposomes uptake into HeLa cells was reduced. Yet, after degradation of the cleavable GFLG sequence the uptake of oligo(amidoamine)-modified liposomes was drastically enhanced. Hence, cleavable oligo(amidoamine)s present a potential alternative for the `PEG dilemma’.

In the second part of the thesis the formulation of polysarcosine (pSar)-modified liposomes was examined. PSar was successfully incorporated into the bilayer of liposomes and provided good surface charge shielding for charged liposomes. Enhanced circulation behavior and reduced clearance by macrophages to an extent similar to PEGylated liposomes was demonstrated in vivo in the zebrafish model. Furthermore, complement activation could be reduced by surface modification of liposomes with a pSar derivative. Moreover, pSar-modified liposomes showed a strongly altered opsonization behavior compared to unmodified liposomes. The general composition of the resulting protein corona was similar to the corona of PEGylated liposomes. Featuring similar benefits but decreased complement activation, liposomes modified with pSar present a PEG alternative with a potentially reduced risk for CARPA.

In summary, cleavable oligo(amidoamine)s and pSar are promising alternatives to PEG. Both lipopolymers displayed beneficial properties overcoming some of the drawbacks of PEGylation while also enhancing circulation properties
Abstract: Eine optimale Blutzirkulation ist ein entscheidender Faktor für die erfolgreiche Therapie mit Nanocarriern (z. B. Liposomen). Ein großes Problem herkömmlicher (unmodifizierter) Liposomen ist die Opsonisierung und anschließende schnelle Elimination aus der Blutzirkulation. Die Hauptstrategie zur Verbesserung der Zirkulationseigenschaften besteht darin, die Menge an adsorbierten Proteinen zu verringern und die Opsonisierungsprofile zu beeinflussen.

Die Oberflächenmodifikation mit Polyethylenglykol (PEG) ist dabei bis heute die gängigste Strategie, um dieses Ziel zu erreichen und lipidbasierte drug-delivery-Systeme mit sogenannten stealth-Eigenschaften auszustatten. Aufgrund diverser Nebenwirkungen bzw. Nachteile wie komplementassoziierter Überempfindlichkeitsreaktionen und dem sogenannten „PEG-Dilemma“, welches zur verringerten Aufnahme PEGylierter Liposomen führt, besteht dringend Innovationspotenzial. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit zwei neue Lipopolymere als potentielle PEG-Alternativen zur Oberflächenmodifikation von Liposomen untersucht.

Im ersten Teil der Arbeit wurden Oligoamidoamine mit spaltbarer GFLG-Sequenz untersucht. Diese konnten erfolgreich in die Membran von Liposomen eingelagert werden. Im Zebrafischmodell konnte eine Verbesserung der Zirkulationseigenschaften im Vergleich zu unmodifizierten Liposomen gezeigt werden. Die Eigenschaften konnten jedoch nicht in gleichem Maße verbessert werden wie durch PEG. Ähnlich wie für PEGylierte Liposomen wurde auch für Oligoamidoamin-modifizierte Liposomen eine verringerte Aufnahme in HeLa-Zellen gezeigt. Nach dem Abbau der spaltbaren GFLG-Sequenz war die Aufnahme von Oligoamidoamin-modifizierten Liposomen jedoch drastisch erhöht. Durch die Verwendung spaltbarer Oligoamidoamine zur Oberflächenmodifikation von Liposomen könnte das „PEG-Dilemma“ somit potentiell umgangen werden.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Versuche mit Polysarkosin (pSar)-modifizierten Liposomen durchgeführt. PSar konnte dabei erfolgreich in die Membran von Liposomen eingelagert werden und führte zur Abschirmung der Oberflächenladung kationischer Liposomen. Im Zebrafischmodell konnten in vivo verbesserte Zirkulationseigenschaften sowie verringerte Clearance durch Makrophagen gezeigt werden. Die Oberflächenmodifizierung mittels pSar war der PEGylierung dabei ebenbürtig. Darüber hinaus zeigten Liposomen, die mit einem pSar-Derivat modifiziert wurden, sogar eine verringerte Komplementaktivierung. Weiterhin war das Opsonisierungsprofil pSar-modifizierter Liposomen im Vergleich zu unmodifizierten Liposomen stark verändert. Die Zusammensetzung der Proteinkorona ähnelte dabei der von PEGylierten Liposomen. Die Oberflächenmodifikation von Liposomen mit pSar bietet somit ähnliche Vorteile wie die PEGylierung bei einem gleichzeitig reduzierten Risiko der Komplementaktivierung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl spaltbare Oligoamidoamine als auch pSar vielversprechende Alternativen zum etablierten PEG sind. Für beide Lipopolymere konnten vorteilhafte Eigenschaften demonstriert werden, die potentiell einige der Nachteile der PEGylierung überwinden könnten

Object Details

• Alternative title: Untersuchung neuer Lipopolymere zur Zirkulationszeitverlängerung von Liposomen
• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2019

Classification and Topics

• Keyword: Evaluation ; Pharmazeutische Technologie ; Nanotechnologie ; Liposom ; Stealth-Technik ; Polypeptide

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2019
• Creator: Bleher, Stefan
• Contributor: Süss, Regine ; Schubert, Rolf ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/151561
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1515616
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 14.08.2025, 11:01 AM CEST