In den letzten Jahrzehnten hat sich das Spektrum der verfügbaren Therapeutika durch das ständig wachsende Feld der Biopharmazeutika erweitert. Im Vergleich zu ihren niedermolekularen Konkurrenten zeichnen sich Biotherapeutika wie Peptide, Proteine und Nukleinsäuren aufgrund ihrer molekularen strukturellen und funktionellen Diversität durch vorteilhafte Eigenschaften wie hohe Spezifität und Potenz aus. Allerdings ist die Anwendung von Biotherapeutika meist auf die extrazelluläre Umgebung beschränkt, da sie die Zellmembran nicht durchdringen können. Um diese Hürde zu überwinden und das Spektrum möglicher Angriffspunkte für Biotherapeutika auf das Zellinnere zu erweitern, wurden zahlreiche Stragien wie zellpenetrierende Peptide (cell-penetrating peptides, CPPs) entwickelt. Während eine erfolgreiche intrazelluläre Verabreichung durch einfache Konjugation dieser kationischen Peptide mit Frachtmolekülen möglich ist, können aufwändigere und ausgefeiltere Architekturen entwickelt werden, um die Transduktionseffizienz weiter zu verbessern. Die Darstellung von multimeren CPPs auf Gerüstmolekülen ist einer der vielversprechenden Ansätze, um dieses Ziel zu erreichen. Analog dazu könnten auch Peptide, die auf Rezeptoren ausgerichtet sind, von der Multimerisierung auf einer geeigneten Plattform profitieren.

Die vorliegende Dissertation fasst die Ergebnisse einer umfassenden Studie zusammen, die auf die Entwicklung hybrider multimerer Architekturen für die intrazelluläre Lieferung von Biomakromolekülen und die Verbesserung der Leistung von Peptiden mit Rezeptortargetierung abzielt.

Der erste Teil der Arbeit befasste sich mit der Evaluierung verschiedener CPPs, nicht-peptidischer alternativer Strukturen sowie das CPP L17E, welches auf dem Polysaccharid Dextran multimerisiert wurde, hinsichtlich ihrer Fähigkeiten, die zelluläre Aufnahme von bioaktiver 18mer Peptid-Nukleinsäure (peptide nucleic acid, PNA) als Frachtmolekül zu ermöglichen. Dabei wurde der eGFP654-Fehlsplicing-Korrekturtest als funktioneller Test verwendet, der einen quantitativen Vergleich der Translokationsmodule ermöglichte. Aufgrund der bemerkenswerten Leistung von Dextran-L17E Hybriden im PNA-basierten Test sollte die Architektur in einem zusätzlichen funktionellen Test einer weiteren Validierung unterzogen werden, welche auf der zytosolischen Translokation eines 16mer Peptids basiert. Der Dextran-L17E Ansatz war in der Lage, die zelluläre Aufhnahme des bioaktiven Peptids zu ermöglichen, welche die Wiederherstellung der Fluoreszenz eines nicht-funktionellen grün-fluoreszierenden Proteins (green fluorescent protein, GFP) durch Komplementierung zur Folge hatte.

Desweiteren wurden Dextran-CPP Hybride hinsichtlich ihrer Fähigkeiten zur intrazellulären Lieferung von Biomakromolekülen evaluiert. In einer proof-of-concept Studie wurden CPP-Dextran-Chimären mit Biotin modifiziert und als Transfermodule von fluoreszenzmarkiertem Streptavidin (Sav) als Modellprotein eingesetzt. L17E-funktionalisiertes Dextran war in der Lage, die intrazellulären Lieferung des Ankerproteins Sav sowie biotin-markiertem GFP als zusätzliche Fracht zu vermitteln. Allerdings ging die eindrucksvolle Leistung der effizienten intrazellulären Proteinlieferung mit einem zumindest für therapeutische Anwendungen nicht tolerierbaren Maß an Toxizität einher.

Der erste Teil der Arbeit bestätigte die Fähigkeit von L17E-Dextran Hybriden als vielseitig einsetzbare Plattform für die intrazelluläre Lieferung relevanter Biomakromoleküle. Neben PNA und Peptiden ermöglichten diese Architekturen auch die zelluläre Aufnahme von Proteinen als Frachtmoleküle, auch wenn dies mit signifikanter Zytotoxizität einherging. Daher könnten zukünftige Untersuchungen entweder die Optimierung von L17E-Dextran Hybriden angehen beziehungsweise das Peptid durch neue, hocheffiziente CPPs ersetzen.

Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit untersuchte den Dextran-Sav-Hybridansatz als neue Plattform für die Multimerisierung rezeptorbindender Peptide. Dextran, welches mit mehreren Kopien des death receptor 5 targeting peptide (DR5TP) ausgerüstet war, war in der Lage, Apoptose in krebsrelevanten Zellen im Bereich niedriger nanomolarer Konzentration auszulösen. Die Potenz des mit DR5TP-dekorierten Dextrans konnte noch einmal deutlich erhöht werden, indem es auf dem Ankerprotein Sav multimerisiert wurde.

Für weitere Evaluierung des Dextran-Sav-Hybridansatzes als Multimerisierungsplattform für rezeptorbindende Peptide wurden Integrin-bindende zyklische Peptide ausgewählt, welche das RGD Motiv enthalten. Dextran, ausgestattet mit mehreren Kopien des zyklischen RGD Peptids, war zwar in der Lage, den isolierten Rezeptor zu binden, allerdings übertrug sich dieses Ergebnis nicht auf einen zellbasierten Test mit fluoreszenzmarkiertem Sav als Ankerprotein. Mit Hilfe eines Antikörperfragments (Fc) als Dimerisierungsplattform von RGD-modifiziertem Dextran konnten Integrin-überexprimierende Krebszellen effizient addressiert werden und zudem war das Gebilde in der Lage, ein Zytotoxin in die Zielzellen zu liefern.

Der zweite Teil der Arbeit präsentierte den Dextran-Sav-Hybridansatz als vielversprechende Plattform für rezeptorbindende Peptide, wobei das Spektrum von erfolgreich-addressierbaren Rezeptoren in weiteren Studien untersucht werden sollte. Als Alternative verbleiben Fc-Dextran Hybride als hocheffizientes Gerüst für die Multimerisierung rezeptorbindender Peptide.