Amino-acid-derived, pH-responsive polyelectrolytes

Titelangaben

De Breuck, Jonas:
Amino-acid-derived, pH-responsive polyelectrolytes.
Bayreuth , 2026 . - X, 219 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Drug carriers increase the therapeutic efficiency by reaching intracellular targets that remain inaccessible to small drug molecules; however, efficient intracellular delivery remains a key challenge for therapeutic as the plasma membrane strongly limits passive diffusion of proteins, peptides, and nucleic acids. Typically, active internalization such as transporters-mediated uptake or endocytosis are necessary. As a result, ideal carrier materials remain colloidally stable and show low-fouling characteristics in biological media such as blood, while still showing association to target cells or transporters and promoting cellular uptake in a controlled, stimulus-dependent manner. Ideally, complex and costly targeting ligands are not required. This dissertation addresses such material-design concepts by developing and systematically studying amino-acid-derived, pH-responsive polyelectrolytes. The established polymers and their investigated structure–property–function relationships provide information about smart molecular design to control protein interactions, membrane association, and cellular uptake. Amino acids are unique, bio-inspired building blocks for the design of functional polymers: they introduce chirality, offer tunable hydrophobicity and aromaticity, and contain ionizable, functional groups. On the one hand, their biomimetic character should reduce unspecific fouling and on the other hand opportunities for selective interactions with proteins/transporters and cell membranes are created. Across all three parts of this work, reversible addition–fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization and post-polymerization modification (PPM) are used to generate well-defined polymer libraries with different physicochemical properties resulting in tailored cell interactions. In the first publication, a synthetic strategy is established to acquire chiral, amino-acid-derived polybetaines, which combine both, the zwitterionic and low-fouling characteristics of polybetaines and the tunable chirality and diversity of side-chain moieties based on amino-acid-derived polyzwitterions. Using methylated lysine as a model system, the study demonstrates that permanent positive charges broaden the pH range over which the polymers remain zwitterionic and moderately increase hydrophobicity, which has an impact on protein interactions. Importantly, cytocompatibility remains high, indicating that the introduction of quaternary ammonium groups does not compromise biological toxicity. This work provides the synthetic and conceptual foundation for the subsequent studies. The second publication expands this platform to a series of amino-acid-derived anionic polyacrylamides, synthesized via PPM of an activated ester precursor. By systematically varying side-chain hydrophobicity using different α-amino acids, e.g., glycine and leucine, the degree of polymerization and mass distribution are preserved. Although pKa values remain nearly constant across the series, hydrophobicity significantly impacts both protein complexation and cell association. More hydrophobic anionic polymers showed stronger interactions with positively charged proteins such as lysozyme and display a distinctive, slow, however, pronounced accumulation at the cell membrane which is an uncommon, yet interesting, behavior for anionic polymers. These findings reveal design features in hydrophobicity, which inversely correlated with charge density due increasing alkyl side-chain, to facilitate controlled membrane interactions without inducing cytotoxicity. Building on this, the third publication combines zwitterionic and anionic polymers to create a standardized library, enabling direct comparisons of charge state, hydrophobicity, and aromaticity. The polyzwitterions exhibited low hydrophobicity and minimal protein-fouling, while anionic, aromatic polymers showed reverse properties (strong hydrophobicity and polymer-protein interactions). These trends could be transferred to the biological scale as polyzwitterions are non-interacting with cells, whereas anionic, hydrophobic polymers — especially the one containing an aromatic group —display rapid and substantial cell association and internalization. Uptake studies reveal that these cell interactions are based on active cellular processes but are not strongly dependent on specific amino-acid-transporters, suggesting more general membrane-mediated entry pathways. Confocal microscopy confirmed pronounced intracellular localization for hydrophobic anionic polymers, supporting their potential as pH-responsive carriers capable of engaging with the endosomal pathway. Together, the three publications focus on amino-acid-derived polyacrylamides, in which amino acids or amino-acid-like moieties are introduced as side-chains either directly by the monomer design before synthesis or via PPM of activated ester prepolymers. Consequently, a coherent structure–property characterization analysis for the obtained amino-acid-derived polyelectrolytes is established to summarize the association of side-chain hydrophobicity, charge distribution, and aromaticity. This information can be used to systematically tune polymers and control their pH-response, protein interaction characteristics, and cellular uptake. This dissertation provides not only a synthetic pathway strategy and a versatile, bio-inspired building block toolbox, but also an initial understanding of how amino-acid-derived polyelectrolytes behave at biological interfaces. These insights serve as the basis for designing next-generation pH-responsive polymers with tailored intracellular delivery capabilities and selective interactions with cancer cells, without relying on external targeting ligands.

Abstract in weiterer Sprache

Arzneistoffträger können die therapeutische Wirksamkeit erhöhen, indem sie den Zugang zu intrazellulären Zielstrukturen ermöglichen, die für kleine Wirkstoffmoleküle nicht zugänglich sind; dennoch stellt eine effiziente intrazelluläre Abgabe weiterhin eine wesentliche Herausforderung in der Entwicklung moderner Therapeutika dar. Ursache hierfür ist die ausgeprägte Barrierefunktion der Plasmamembran, die die passive Diffusion von Proteinen, Peptiden und Nukleinsäuren stark limitiert. Folglich sind energieabhängige Internalisierungsprozesse, wie transporter¬vermittelte Aufnahme oder endozytotische Mechanismen, erforderlich, um eine zelluläre Aufnahme zu gewährleisten. Zur Überwindung dieses Problems werden Trägermaterialien benötigt, die in biologischen Medien kolloidal stabil und kaum Fouling-anfällig sind. Des Weiteren sollten diese Materialien spezifisch mit Zellen wechselwirken können, von der Zelle aufgenommen werden und schließlich Stimuli-responsiv und somit kontrolliert intrazellulär freigesetzt werden können. Idealerweise kann hier auf den Einsatz komplexer und kostspieliger Targeting-Liganden verzichtet werden. Diese Dissertation befasst sich mit solchen Materialdesign-Konzepten, indem sie aus Aminosäuren modifizierte, pH-responsive Polyelektrolyte entwickelt und systematisch untersucht. Die etablierten Polymere und ihre Struktur–Eigenschaft–Funktions-Beziehungen liefern Informationen über intelligentes Moleküldesign zur Steuerung der Proteininteraktionen, Zellmembranassoziation und zellulärer Aufnahme. Aminosäuren sind einzigartige, bio-basierte Bausteine für das Design funktionaler Polymere: Sie implementieren Chiralität, ermöglichen eine einstellbare Hydrophobie und Aromatizität und führen ionisierbare Gruppen ein. Ihr biomimetischer Charakter reduziert unspezifisches Protein-Fouling und schafft zugleich Möglichkeiten für die selektive Wechselwirkung mit Proteinen/Transportern und Zellmembranen. In allen drei Kapiteln dieser Dissertation werden die Polymere mittels reversible Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragung (RAFT)-Polymerisation und Post-Polymerisations-Modifikationen (PPM) Hergestellt, um Polymerbibliotheken zu erzeugen, die Eigenschaften zur Zellinteraktion und den physikochemischen Charakteristika enthalten. In der ersten Publikation wird eine Synthesestrategie etabliert, um chirale, aminosäurebasierte Polybetaine zu bilden, die sowohl die zwitterionischen und geringen Bio-Fouling Eigenschaften von Polybetainen als auch die Chiralität und Vielfalt der Seitenkettenreste basierend auf aminosäure-abgeleitete polyzwitterionen kombinieren. Um nur ein Modellsystem zu nennen: Bei Verwendung von methyliertem Lysin, ermöglichen die permanenten positiven Ladungen, dass diese Polymere über einen weiten pH-Bereich zwitterionisch bleiben. Des Weiteren bleibt die Hydrophobie dieses Polymers weitestgehend konstant, was positive Auswirkungen auf Proteininteraktionen hat. Darüber hinaus ermöglicht die Einführung des quartären Ammoniumzentrums im Polymer, dass die Toxizität gegenüber Zellen nicht negativ beeinträchtigt wird. Die Ergebnisse aus dieser Arbeit liefren die synthetische und konzeptionelle Grundlage für die nachfolgenden Studien. Die zweite Publikation erweitert die Polymerbibliothek um eine Reihe von aminosäurebasierten, anionischen Polyacrylamiden. Diese werden mittels PPM aus einem aktivierten Ester-Vorläufer synthetisiert. Durch systematische Variation der Seitenketten-Hydrophobie mithilfe von α-Aminosäuren, z. B. Glycin und Leucin, bleibt der Polymerisationsgrad und die Massenverteilung konstant. Während die pKa Werte der einzelnen Polymere dieser Bibliothek nahezu konstant sind, beeinflusst ihre Hydrophobizität sowohl die Proteinkomplexierung als auch die Zellassoziation signifikant. Hydrophobere, anionische Polymere hingegen zeigten stärkere Wechselwirkungen mit positiv geladenen Proteinen wie Lysozym und eine charakteristische, langsame, jedoch ausgeprägte Akkumulation an der Zellmembran auf, ein für anionische Polymere ungewöhnliches Verhalten. Diese Resultate belegen, dass bestimmte Designmerkmale hinsichtlich Hydrophobie und Ladungsdichte kontrollierte Membraninteraktionen ermöglichen, ohne Zytotoxizität zu induzieren. Darauf aufbauend kombiniert die dritte Publikation zwitterionische und anionische Polymere in einer gemeinsamen Bibliothek für den direkten Vergleich von Ladungszustand, Hydrophobie und Aromatizität. Die zwitterionischen Polymere zeigten geringe Hydrophobie und geringes Protein-Fouling, während anionische, aromatische Polymere ein umgekehrtes Verhalten (ausgeprägte Hydrophobie und Polymer-Protein-Interaktion) aufwiesen. Diese Trends konnten auf die biologische Ebene übertragen werden: Zwitterionische Polymere zeigten kaum Wechselwirkungen mit Zellen, wohingegen anionische, hydrophobe Polymere – insbesondere das Polymer mit aromatischen Gruppen – eine erhöhte Zellassoziation und Internalisierung aufwiesen. Zellinteraktionsstudien belegen, dass diese Wechselwirkungen auf aktiven, zellulären Prozessen basieren, jedoch unabhängig von spezifischen Aminosäuretransportern sind. Dies legt nahe, dass die intrazelluläre Aufnahme der Polymere über membranvermittelte Eintrittswege stattfindet. Konfokale Mikroskopie festigt dies, durch die intrazelluläre Lokalisation hydrophober anionischer Polymere im Zytosol und untermauert damit das Potenzial der pH-responsiven, polymerer Trägermaterialien. Alle drei Publikationen befassen sich mit aminosäurebasierten Polyacrylamiden, bei denen Aminosäuren oder aminosäureähnliche Motive als Seitenketten entweder direkt über das Monomer Design oder über PPM einer aktivierten Ester-Vorstufe des Polymers eingeführt werden. Folglich wird eine kohärente Struktur–Eigenschaft-Charakterisierungsanalyse aus den synthetisierten, aminosäurebasierten Polyelektrolyten abgeleitet, um die Assoziation von Seitenketten-Hydrophobie, Ladungsverteilung und Aromatizität zusammenzufassen. Diese Informationen können genutzt werden, um Polymere systematisch zu variieren und ihre pH-Response, Proteininteraktionseigenschaften und zelluläre Internalisierung gezielt zu steuern. Damit liefert diese Dissertation nicht nur Synthesestrategien für aminosäure-basierte Polymere und eine vielseitige, bio-inspirierte Baustein-Bibliothek zur Polymerisation und Postmodifikation, sondern auch ein grundsätzliches Verständnis dafür, wie sich aminosäure-basierte Polyelektrolyte an biologischen Grenzflächen verhalten. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für das Design pH-responsiver Polymere der nächsten Generation mit maßgeschneiderten, intrazellulären Freisetzungseigenschaften und selektiven Interaktionen mit Krebszellen – ohne auf externe Ziel-Liganden angewiesen zu sein.