Polyelektrolytbeschichtung von Mikrokapseln (PEMC)

Abstract

Polyelektrolytmikrokapseln (PEMC) stellen ein neuartiges System künstlicher Zellen dar. Durch Einbringen von z.B. Hämoglobin in solche PEMC können sie als künstliche Erythrozyten den Gastransport im Organismus unterstützen bzw. übernehmen. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass jede Zelle des Säugtierorganismus zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion Enzyme benötigt, die ihre Stoffwechselfunktionen katalysieren. Um sich der Lösung dieses Problems bei der Entwicklung eines künstlichen Erythrozyten schrittweise zu nähern, wurde als Modellenzym Trypsin ausgewählt. Es wurden Polyelektrolytmikrokapseln (PEMC) auf der Basis von Erythrozyten durch Selbstassemblierung von Polynatriumstyrensuphonat (PSS) und Polyallylamino-hydrochlorid (PAH) hergestellt ((PSS/PAH)2PSS), und anschliessend nach der Layer-by-Layer Methode (LbL) alternierend mit Trypsin und den Polyelektrolyten (PE) PSS, Alginat oder Dextransulphat weiterbeschichtet. Der Schichtenaufbau wurde durch Zellelektrophorese, konfokale Laserscanning-mikroskopie (CLSM), Durchflusszytometrie (FACS) und photometrische Proteinbestimmung charakterisiert und quantifiziert. Die Aktivität des an der PEMC-Membran immobilisierten Enzyms wurde untersucht und mit der Aktivität freien Trypsins verglichen. Weiterhin wurden pH-Profile von freiem Enzym mit denen des immobilisierten Trypsins verglichen. Der Schichtaufbau aus Trypsin und den unterschiedlichen Polyelektrolyten wurde anhand der Änderung der elektrophoretischen Mobilität beim Aufbringen jeder Schicht, sowie durch die Zunahme der photometrisch bestimmten Proteinmenge pro PEMC charakterisiert. Außerdem wurde Trypsin mit Fluoreszeinisothiozyanat (FITC) markiert und in den Beschichtungsserien die Zunahme der flowzytometrisch bestimmten Fluoreszenz-Intensität mit jeder aufgebrachten FITC-Trypsin Schicht beobachtet. Die Aktivität des an den PEMC immobilisierten Trypsins beträgt etwa 30% der Aktivität freien Trypsins gleicher Konzentration. Es konnte gezeigt werden, dass sich Trypsin im Rahmen eines Schichtaufbaus nach der LbL-Technologie in die Membran der verwendeten PEMC einbringen lässt. Dabei behält das Enzym einen Teil seiner Funktion.

Artificial cells are not only used to study the biological processes of living cells, they also serve as micro reactors to provide certain functions in the organism. Polyelectrolyte microcapsules (PEMC) represent a new approach to artificial cell studies. When filled with hemoglobin, PEMC are able to perform the erythrocyte gas exchange. This work shows the general possibility of integrating enzymes into the PEMC membrane. PEMC were composed using the layer-by-layer (l-b-l) technique. Glutaraldehyde stabilized human red blood cells (RBC) served as templates and were coated with five layers poly(styrene sulfonate) (PSS) and poly(allylaminehydrochloride) (PAH). After decomposition of the RBC by sodium hypochlorite, the PEMC were coated with ten layer pairs of trypsin and either PSS or alginate. The trypsin layer growth was followed performing measurements by cell electrophoresis, confocal laser scanning microscopy (CLSM), flow cytometry (FACS) and protein determination according to Lowry after each adsorption step. Results showed a continuous layer buildup for both polyelectrolytes and no desorption of trypsin. The amount of immobilized enzyme was larger for the coating series with trypsin/PSS compared to that with trypsin/alginat. This was concluded as a result of PSS/trypsin complex formation. Normalizing the enzym activity to the amount of adsorbed trypsin no significant differences between the activity of PSS-PEMC and alginate-PEMC were found. Further experiments prove that PSS inhibits the enzyme activity and alginat does not.