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© 2017 American Chemical Society.The design and use of materials in the nanoscale size range for addressing medical and health-related issues continues to receive increasing interest. Research in nanomedicine spans a multitude of areas, including drug delivery, vaccine development, antibacterial, diagnosis and imaging tools, wearable devices, implants, high-throughput screening platforms, etc. using biological, nonbiological, biomimetic, or hybrid materials. Many of these developments are starting to be translated into viable clinical products. Here, we provide an overview of recent developments in nanomedicine and highlight the current challenges and upcoming opportunities for the field and translation to the clinic.

The design and use of materials in the nanoscale size range for addressing medical and health-related issues continues to receive increasing interest. Research in nanomedicine spans a multitude of areas, including drug delivery, vaccine development, antibacterial, diagnosis and imaging tools, wearable devices, implants, high-throughput screening platforms, etc. using biological, nonbiological, biomimetic, or hybrid materials. Many of these developments are starting to be translated into viable clinical products. Here, we provide an overview of recent developments in nanomedicine and highlight the current challenges and upcoming opportunities for the field and translation to the clinic.

A homologous nanoparticle library was synthesized in which gold nanoparticles were coated with polyethylene glycol, whereby the diameter of the gold cores, as well as the thickness of the shell of polyethylene glycol, was varied. Basic physicochemical parameters of this two-dimensional nanoparticle library, such as size, ?-potential, hydrophilicity, elasticity, and catalytic activity,were determined. Cell uptake of selected nanoparticles with equal size yet varying thickness of the polymer shell and their effect on basic structural and functional cell parameters was determined. Data indicates that thinner, more hydrophilic coatings, combined with the partial functionalization with quaternary ammonium cations, result in a more efficient uptake, which relates to significant effects on structural and functional cell parameters. © 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Katarakt (Grauer Star) ist eine Erkrankung, die durch eine Dysfunktion des Metabolismus im Auge hervorgerufen wird und in Folge dessen zu einer Trübung der Linse führt [1, 2]. Über 20 Millionen Menschen haben durch diese Erkrankung ihre Sehkraft verloren [3, 4]. Die wesentlichste Behandlungsmethode umfasst die operative Entfernung der natürlichen Linse, die so genannte Extrakapsuläre Katarakt Extraktion (ECCE) und die darauffolgende Implantation einer polymeren Intraokularlinse (IOL) [5, 6]. Die am häufigsten vorkommende Komplikation, die in den ersten 3 bis 5 Jahren auftritt und bei 50 % der Patienten beobachtet wird, ist das erneute Eintrüben der IOL, welches als sekundärer Katarakt (Nachstar, oder Posterior Capsule Opacification, PCO) bezeichnet wird [7–10]. Die einzige Behandlungsmethode ist die invasive chirurgische Laserkapsulotomie, bei der der Kapselsack thermisch irreversibel zerstört wird [11]. Die Pathogenese der PCO ist darauf zurückzuführen, dass bei der ECCE Linsenepithelzellen im hinteren Kapselsack verbleiben und durch den Eingriff stark proliferierendes Narbengewebe zurückbleibt [12, 13], was zu einer Eintrübung der polymeren Linse führen kann. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung polymer basierter Drug-Delivery-Systeme, die auf Basis eines photoinduzierten Stimulus aktiviert werden und infolge dessen den Wirkstoff freisetzen. Der verwendete Wirkstoff, ist bereits durch entsprechende Anwendung zur Behandlung der PCO etabliert [14–18], wobei innovativ das Drug-Delivery- System 5-Fluoruracil (5-FU) als zytotoxisch wirksames Agens enthält. Hierfür bildet 5-FU durch die [2+2]-Cycloadditionsreaktion nach Woodward-Hoffmann mit einen entsprechend Linker Kreuzdimere oder Homodimere, die an das Polymerrückgrat kovalent gebunden werden können. Dabei wird das Dimer durch photoinduzierte Bestrahlung über eine [2+2]-Cycloreversionsreaktion vom Linker gespalten und durch Diffusion aus der polymeren Matrix freigesetzt. Die [2+2]-Cycloreversionsreaktion kann entweder durch einen Ein-Photon- Absorptionsprozess (SPA) unterhalb von 300 nm, oder durch einen Zwei-Photonen- Prozess (TPA) oberhalb von 300 nm induziert werden. In dieser Arbeit werden Lichtquellen verwendet, die bei 266 nm (SPA) und Licht im Bereich von 532 nm (TPA) emittieren. In früheren Arbeiten wurde Coumarin als Linker-Molekül verwendet [13, 19]. Dieses besitzt hervorragende photochemische Eigenschaften, ist aber gegenüber Hydrolysereaktionen instabil, was wiederum die Reinigung der Kreuzdimere erschwert [20]. Aufgrund dessen wurden als alternative Linker-Strukturen Chalkon, H5FU (Heptanoyl- 5-Fluoruracil), BCA (4-methyl-2-oxo-2H-Benzo[h]chromen-8-yl acetat) verwendet. Sechs wesentliche Aspekte bezüglich der Drug-Delivery-Systeme werden in dieser Arbeit untersucht und vorgestellt: 1. Die Etablierung der Synthese der Kreuz- und Homodimere. 2. Charakterisierung der SPA- und TPA-induzierten Spaltungsreaktionen. 3. Etablierung eines polymeren Systems, welches mit einem Kreuz- oder Homodimer funktionalisiert wird und zusätzlich nach DIN ISO Norm mit einem UV-Absorber copolymerisiert wird. 4. Charakterisierung der Freisetzungskinetik des Wirkstoffs aus dem Polymer. 5. Untersuchung der Licht- und thermischen Stabilität der Polymere. 6. Validierung der Reproduzierbarkeit der photoinduzierten Wirkstofffreisetzung aus dem Polymer. Die Entwicklung von fluoreszierenden Arzneiformen wird schon seit Längerem erfolgreich angewendet, um es z.B. für bildgebende Methoden zu nutzen oder Freisetzungsprofile aus einem Drug-Release-System besser darzustellen, bzw. mögliche physiologische Diffusionsprozesse oder Erkrankungen besser untersuchen zu können [21, 22]. In dieser Arbeit wird ein fluoreszierendes Polymersystem vorgestellt, welches basierend auf der Vorschrift der Synthese des Chalkon-H5FU (CFKD)-Polymers erzeugt wurde [23]. Als Linker wurde Chalkon und BCA (8-acetoxy-4- methyl-2H-Benzo[h]chromen- 2-on) als fluoreszierender Farbstoff verwendet. Wie bei dem CFKD-Polymer wurde die Freisetzung des Fluoreszenzfarbstoffs durch Ein- Photon-Absorptions- oder Zwei-Photonen-Absorptions-Prozesse induziert. Um ein Profil von dem Diffusionsprozess zu erhalten, wurde die Wirkstoffdiffusion aus dem Polymer nach einer Laser-getriggerten Aktivierung in situ visuell festgehalten. Neben der [2+2]-Cycloaddition nach Woodward-Hoffmann entstehen bei der photochemisch induzierten Synthese mit dem Rayonet-Reaktor Oxetane zwischen 5-FU und dem Photosensibilisator Benzophenon durch eine [2+2]-Cycloaddition nach Paternò-Büchi. Diese wurden eingehend untersucht und die SPA-induzierte Spaltungsreaktion analysiert. Da 5-FU ein zytotoxisch wirkendes Agens ist [24], wurde ein Wirkstoff gewählt, der aufgrund seines Molekülgerüsts durch photoinduzierte [2+2]-Cycloaddition einen Cyclobutanring mit einem Linker ausbildet und zum anderen bereits bei der Behandlung der PCO erprobt wurde. Hierfür wurde Tranilast verwendet und erfolgreich ein Kreuzdimer mit dem Linker-Molekül Coumarin via Cycloadditionsreaktion erzeugt.