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<h2>Einblick: Polymere und Medizin</h2><h2>Biobasierte und bioinspirierte Materialien</h2>Synthetische Polymere lassen sich mit Biopolymeren kombinieren und in biologische Systeme integrieren. Das liefert Materialien mit neuen Eigenschaften. Collins und Kollegen nutzten die Programmierbarkeit Crispr-assoziierter Nukleasen, um Hydrogele zu aktivieren, in denen DNA als Strukturelement oder als Anker für Seitengruppen dient.1) Diese Moleküle eignen sich unter anderem, um DNA-verankerte Verbindungen, Nanopartikel oder lebende Zellen aus Hydrogelen freizusetzen.Nukleinbasen sind hoch selektive Bausteine. Weil und Coautoren nutzten beispielsweise die Interaktion von Boronsäuren mit Katechinen, um Nukleobasen-Analoga herzustellen.2) Dies ermöglicht eine spezifische Sequenzerkennung, die sich im Gegensatz zu genetischem Material bereits bei pH 5 auflösen lässt. Damit lassen sich zudem Biomoleküle gezielt koppeln.Der Polymorphismus von Proteinen und die daraus resultierende Strukturvielfalt inspirierte chinesische Wissenschaftler um Guesong Chen.3) Sie konstruierten supramolekulare Proteinröhrchen aus einem tetramerischen Protein und spezifischen Liganden.<h2>Neue Polymersynthesen</h2>Polymerisationen laufen üblicherweise unter kontrollierten Bedingungen und erfordern häufig hochreine Ausgangsstoffe. Wie Bradley und Kollegen zeigten, ist eine Polymerisation aber auch in lebenden Zellen möglich.4) Sie stellten Vinylpolymere in Zellen durch radikalische Photopolymerisation her, obwohl die Zelle ein komplexes Reaktionsmedium ist. Durch diese In-Cellulo-Erzeugung von Makromolekülen lässt sich das Zellverhalten manipulieren, detektieren und kontrollieren – dies ebnet neue Wege für intrazelluläres Engineering.<h2>Polymeranalytik und künstliche Intelligenz</h2>In Wirkstoffformulierungen werden häufig amphiphile Blockcopolymere eingesetzt, die hydrophobe Wirkstoffe in ihrem Kern lösen und so deren Bioverfügbarkeit erhöhen. Bisher stand hierbei meist die Wirkstoffbeladung im Fokus; die interne Struktur der Mizellen dagegen wurde kaum untersucht. Luxenhofer und Mitarbeiter liefern nun einen neuen Ansatz:5) Sie entwickelten mit Festkörper-NMR-Spektroskopie und komplementären Techniken ein erstes, beladungsabhängiges Strukturmodell auf molekularer Ebene. Ihre Erkenntnisse können dazu beitragen, unser Verständnis von Blockcopolymeren in Wirkstoffformulierungen zu verbessern.Global zeigt sich ein Trend, Wirkstoffträgersysteme mit künstlicher Intelligenz (KI) weiterzuentwickeln. Neben ersten Übersichtsartikeln zu KI in der Entwicklung von Wirkstofftransportern beschäftigen sich Dahlman und Mitarbeiter6) mit Auswertung und Darstellung großer Datenmengen, die entscheidend für den Erkenntnisgewinn sind.Computergestützte Methoden helfen schon jetzt, die Beladung von Polymerpartikeln zu optimieren. Lendlein und Kollegen nutzten Polymere mit unterschiedlicher Affinität zum Entzündungshemmer Dexamethason.7) Die von Docking-Studien vorhergesagten Prioritäten wurden durch experimentelle Daten bestätigt.Auch die Löslichkeit und Kristallinität von Polymeren beeinflussen die Wirkstoffbeladung. Durch optimierte Simulationen verbesserten Schubert und Kollegen die Vorhersagen über die Löslichkeit von Polyesteramiden.8)<h2>Regenerative Medizin</h2>Groll und Gawlitta bildeten ein heterotypes Gerüst aus Polycaprolacton (PCL), das ermöglicht, Zellen zu organisieren, die Zelldifferenzierung zu kontrollieren und Morphologien zu bilden.9) Hierbei sind weder lösliche Faktoren noch eine Oberflächenbioaktivierung des Gerüsts erforderlich.<h2>Tumordiagnostik und -therapie</h2>Wie Stéen und Kollegen zeigen, lassen sich durch molekulare Bürstenpolymere solide Tumoren mit In-vivo-Klick-Chemie visualisieren.10) Durch eine optimierte Polymermikrostruktur steigerte die Arbeitsgruppe die Reaktionsgeschwindigkeit der hierfür genutzten Tetrazin-Transcycloocten-Ligation um zwei Größenordnungen (von 5 · 102 M–1 · s–1 auf 4,5 · 104 M–1 · s–1). Außer in der Diagnostik kann dieser Ansatz in der Radionuklidtherapie oder in der lokalen Wirkstofffreisetzung (Click-to-Release) vorteilhaft sein.Einen anderen Weg, um lokale Wirkungen zu erreichen, beschrieben die Gruppen um Chen, Kataoka und Ge.11) Sie erzeugten Nanoreaktoren aus Polymersomen, die mit Eisenoxidnanopartikeln und Glucoseoxidase beladen waren. Diese erzeugen erst durch den leicht sauren, intratumoralen pH-Wert Hydroxylradikale, die das über Thioketal kovalent gebundene Camptothecin sowie überschüssige Hydroxylradikale freisetzen. Somit wird der Wirkstoff lokal im Tumor freigesetzt, und im Mausmodell gehen selbst etablierte Adenokarzinome vollständig zurück.<h2>Immuntherapie</h2>Ziel der Tumorimmuntherapie ist die Aktivierung des körpereigenen Immunsystems, sodass dieses maligne Gewebe erkennt und die betreffenden Zellen selbstständig bekämpft. Dies umfasst zum Beispiel, intratumorale Immuntoleranz aufzuheben oder Impfstoffe gegen Tumoren zu entwickeln. Hier sind insbesondere mRNA-Vakzine zu erwähnen, wie sie momentan von Firmen wie Biontech, Curevac oder Moderna entwickelt werden und die derzeit auch als Impfstoffe gegen Covid-19 (Coronavirus Sars-Cov-2) diskutiert oder sogar geprüft werden. Dabei soll der Bauplan von Pathogenen wie Viren, Krebszellen oder Teilen davon in antigenpräsentierende Zellen eingebracht und dort effizient verarbeitet werden. Dies kann Erkennung und Bekämpfung dieser Strukturen induzieren. In solchen Impfstoffen sind neben immunmodulatorischen Lipiden auch Lipopolymere wichtig, da diese diese die Applikation der Impfstoffe erleichtern und Nebenwirkungen reduzieren.12)Darüber hinaus beschäftigten sich einige Gruppen damit, die Immuntoleranz in Tumoren gezielt aufzuheben. Hierzu reprogrammierte die Gruppe von Stephan tumorassoziierte Makrophagen (TAMs), die dazu beitragen, dass das Immunsystem in soliden Tumoren häufig deaktiviert ist.13) Die Gruppe nutzte Polyplexe auf Basis synthetischer, mit Dimannose funktionalisierter Polymere, modifizierter Polyglutaminsäure und mRNA, um Makrophagen durch Infusion in Tumoren einzubringen. Damit ist es nicht nur möglich, Makrophagen in vivo vom tolerogenen zum aktiven Phänotyp zu reprogrammieren, sondern es wurde sogar in Melanomen sowie Glioblastomen eine Tumorregression erreicht.
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1 M. A. English, L. R. Soenksen, R. V. Gayet et al., Science 2019, 365, 780</li><li>
2 M. Hebel, A. Riegger, M. M. Zegota et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 14026–14031</li><li>
3 Z. Li, S. Chen, C. Gao et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19448–19457</li><li>
4 J. Geng, W. Li, Y. Zhang et al., Nat. Chem. 2019, 11, 578–586</li><li>
5 A.-C. Pöppler, M. M. Lübtow, J. Schlauersbach et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 18540–18546</li><li>
6 K. Paunovska, D. Loughrey, C. D. Sago, R. Langer, J. E. Dahlman, Adv. Mater. 2019, 31, 1902798</li><li>
7 N. Brunacci, A. T. Neffe, C. Wischke et al., J. Controlled Release 2019, 301, 146–156</li><li>
8 I. Muljajew, A. Erlebach, C. Weber et al., J. R. Buchheim, M. Sierka, U. S. Schubert, Polym. Chem. 2020, 11, 112–124</li><li>
9 T. Jungst, I. Pennings, M. Schmitz et al., A. J. W. P. Rosenberg, J. Groll, D. Gawlitta, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905987</li><li>
10 E. J. L. Stéen, J. T. Jørgensen, K. Johann et al., ACS Nano 2020, 14, 568–584</li><li>
11 W. Ke, J. Li, F. Mohammed et al., ACS Nano 2019, 13, 2357–2369</li><li>
12 L. Miao, L. Li, Y. Huang et al., Nat. Biotechnol. 2019, 37, 1174–1185</li><li>
13 F. Zhang, N. N. Parayath, C. I. Ene et al., Nat. Commun. 2019, 10, 3974</li></ul>

<figure><img src="https://media.graphcms.com/R25KXfAHQCyDkoskbhlV"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Oben links: Nutzung von Crispr-Cas für responsive Hydrogele;1) oben rechts: Protein und spezifische Liganden bilden Proteinröhrchen;3) unten: In-Cellulo-Polymerisation.4)</figcaption></figure>
<h2>Die Autoren</h2>Matthias Barz ist seit dem Frühjahr 2020 ordentlicher Professor am Leiden Academic Center for Drug Research der Universität Leiden. Er studierte Chemie an den Universitäten Mainz und Seoul National in Südkorea. Von 2013 bis Ende 2016 habilitierte er sich in Mainz am Institut für Organische Chemie.<div><img src="https://media.graphcms.com/GnepMHt5R2mtl8LPCkCq">

</div>Anja Träger, habilitiert unter Betreuung von Ulrich S. Schubert an der Universität Jena. Vorher studierte sie Biochemie an den Universitäten Bayreuth und York und promovierte in Bayreuth in der Biotechnologie. Sie erforscht polymerbasierten Gen- und Wirkstofftransfer.<div><img src="https://media.graphcms.com/QXmSvmyTKu1U22LejZPV">

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Artikel

Einblick: Polymere und Medizin

Einblick: Polymere und MedizinBiobasierte und bioinspirierte MaterialienSynthetische Polymere lassen sich mit Biopolymeren kombinieren und in biologische Systeme integrieren. Das liefert Materialien mit neuen Eigenschaften. Collins und Kollegen nutzten die Programmierbarkeit Crispr-assoziierter N...

<h2>Einblick: Polymere und Nachhaltigkeit</h2>Polymere und Materialien können zu nachhaltigen Wirtschaftskreisläufen beitragen – wenn sie auf Abfallprodukten basieren, sich vollständig rezyklieren lassen oder ohne Lösungsmittel und Auxiliare entstehen.<h2>Biobasierte Monomere und Polymere herstellen und nutzen</h2>Waldvogel und Mitarbeiter haben im Jahr 2019 biobasierte Bisphenol-Epoxidharze synthetisiert, und zwar über elektrochemische dehydrogenerative Dimerisierung von Eugenol. Dieses stammt aus Lignin, einem Hauptbestandteil von Holz. Aushärten ergibt Harze mit Glasübergangstemperaturen (Tg) von zum Beispiel 153 °C und 216 °C (Abbildung oben, links).1)<figure><img src="https://media.graphcms.com/gDJ47UUS3ygVYCx8fQdI"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Links: Eugenol-basierte Harze (Novolake);1) rechts: Polyamide aus (+)-3-Caren und α-Pinen.2)</figcaption></figure>
Um Terpene als erneuerbare Monomere für Polymere zu nutzen, wandeln Sieber und Mitarbeiter α-Pinen und (+)-3-Caren – Nebenprodukte der Cellulose-Verarbeitung – in ε-Lactame um (Diastereomere) und dann in Polyamide mit stereoregulären Seitenketten (Abbildung oben, rechts).2) Die thermischen Eigenschaften dieser amorphen und transparenten Polymere ähneln denen kommerzieller High-performance-Polyamide und können diese sogar übertreffen: Beispiel ist eine Glasübergangstemperatur von 120 °C (Polyamid 6: etwa 60 °C).Das Polysaccharid Chitosan wird von der Gruppe um Liedel mit Vanillin aus Lignin modifiziert und als Elektrodenmaterial zur Energiespeicherung genutzt.3) Es erreicht reversible Ladungsspeicherungen von bis zu 80 mA · h · g–1.Zur Nutzung pflanzlicher Fette und Öle haben Börner und Mitarbeiter beigetragen, die Poly(lactonic sophorolipide) Poly(LSL) an den Doppelbindungen der Fettsäuresegmente modifizierten.4) Meier und Mitarbeiter nutzten Carbonatolefine aus Glycerol und CO2 als Monomere für die kontrollierte radikalische Polymerisation.5) Zudem synthetisierten sie fettsäurebasierte, langkettige Polyether durch katalytische Esterreduktion und acyclische Dienmetathese- (ADMET) oder Thiol-en-Polymerisation. Als Lösungsmittel dienten Methyl-THF und Polarclean.6) Weitere Beispiele sind Polymere aus Itaconsäure7) von Hillmyer und Mitarbeitern sowie die ringöffnende Metathese-Polymerisation von Levoglucosenol, die Schlaad und Mitarbeiter entwickelt haben.8)<h2>(Bio-)Abbaubare Polymere</h2>Bioabbaubare Polymere sind für Medizin und Umwelt von zentraler Bedeutung.9)Benhabbour und Mitarbeiter haben ein Drug-delivery-System zur HIV-Behandlung entwickelt, das auf Poly(DL-lactid-co-glycolid) basiert. Dessen Stärke ist die Langzeitwirkung.10)Winnacker und Mitarbeiter beschreiben neue stabile Polyamid/PEG-Blends, mit denen sich etwa Adhäsion und Wachstum menschlicher Hautzellen (Keratinocyten; HaCat-Zellen) regulieren lassen – die Polymere haben also Potenzial für die gezielte Züchtung von Hautgewebe.11) Die Postmodifizierung abbaubarer Polyoxazinone12) von Kiessling und Mitarbeitern sowie neue Polyorthoester und Polyacetale mittels Thiol-en-Klick-Chemie von Dove und Mitarbeitern13) sind weitere Konzepte dafür.Wie eine Studie der Gruppe um Robson mit Polycaprolacton (PCL), Polyhydroxybuttersäure (PHB), Polylactid (PLA) und Polybutylensuccinat (PBS) zeigt, eignet sich unter anderem der Mikroorganismus Thermomyces lanuginosus zum PCL-Abbau.14)<h2>(De-)Polymerisationskatalyse und Monomerdesign</h2>Katalyse kann helfen, Prozesse energiesparender zu führen, neue Monomere zu erschließen oder Nebenprodukte zu minimieren. Zudem hat sich die Depolymerisationskatalyse in jüngerer Zeit zu einem wirtschaftlich relevanten Gebiet entwickelt.15) Insbesondere kombiniert mit intelligentem Monomerdesign, das die Lebenszyklen des Endprodukts berücksichtigt, gibt es vielversprechende Fortschritte.Wie die Gruppen um Chen und Sardon gezeigt haben, gibt es nachhaltige Alternativen zu gängigen Verpackungsmaterialien: Copolymere aus γ-Butyrolacton (GBL, Abbildung oben, links) und dessen Derivaten stehen etablierten Polymeren in Barriereeigenschaften und mechanischen Kennwerten in nichts nach, sind aber bis zur Monomerstufe rezyklierbar.16)<figure><img src="https://media.graphcms.com/EpWrk4XySy6qxoYBGIVw"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Links: γ-butyrolacton(GBL)-basiertes Copolymer;16) rechts: Entstehung von Diblock-Polycarbonat unter Verwendung epoxidierten Limonens.18)</figcaption></figure>
Die Arbeitsgruppe um Chen hat einen neuen Zugang zu Polyhydroxyalkanoaten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften gefunden: Durch salenbasierte Katalysatoren entsteht aus diastereomeren Mischungen (rac/meso) des Monomers (cyclisches Dimer der 3-Hydroxybuttersäure) ein Stereodiblock-Polyester mit weitaus besserer Zähigkeit als für rein isotaktisches Material beobachtet.17)Greiner und Schmalz synthetisierten Diblockpolycarbonate aus Limonenoxid, Cyclohexenoxid und CO2 (Abbildung oben, rechts). Bei dem Prozess lassen sich die Schalen von Zitrusfrüchten als Quelle für Limonen nutzen; eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion entsteht also nicht.18)Borchardt und Mitarbeiter stellten Poly(p-Phenylen) durch mechanochemische Suzuki-Kopplung dar, wobei hohe Polymerisationsgrade (bis zu 199) erreicht wurden und weder Lösungsmittel noch Liganden nötig sind.19)Die Gruppe um Herres-Pawlis fand Ersatz für Zinn(II)oktanoat zur Laktidpolymerisation: Biokompatible Eisen(II)guanidin-Komplexe setzen kontrolliert 5000 Äquivalente des Monomers um.20) Sie verwendeten das Monomer in technischer Qualität.McNeil und Mitarbeiter untersuchten, wie die chemische Modifikation von o-Phthalaldehyden die Depolymerisationstemperatur der entsprechenden Polyaldehyde beeinflusst, um die richtige Balance zwischen leichter Depolymerisierbarkeit und guter Verarbeitbarkeit zu finden.21)Mit ringschließender Depolymerisation recycelten Enthaler und Mitarbeiter PA 6; sie nutzten 4-Dimethylaminopyridin und eine Mikrowelle.22)<h2>Die Autoren</h2>Malte Winnacker, Jahrgang 1980, ist seit 2013 Mitarbeiter am Wacker-Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie an der TU München, wo er sich im Jahr 2018 habilitierte. Er studierte Chemie in Würzburg und promovierte 2010 an der Ludwig-Maximilians-Universität München.<div><img src="https://media.graphcms.com/OBecmUzIT7mZapM1IpvA">

</div>Stefan Naumann, Jahrgang 1986, arbeitet seit Herbst 2015 an seiner Habilitation am Institut für Polymerchemie der Universität Stuttgart, wo er im Jahr 2014 bei Michael Buchmeiser promovierte. Seit 2018 ist er Principal Investigator im DFG-Sonderforschungsbereich „Katalyse in definierten Geometrien“.<div><img src="https://media.graphcms.com/TvBBRRDpQ0ygl5BOFu1z">

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1 G. H. M. de Kruijff, T. Goschler, N. Beiser, A. Stenglein, O. M. Türk, S. R. Waldvogel, Green Chem. 2019, 21, 4815–4823</li><li>
2 P. N. Stockmann, D. L. Pastoetter, M. Woelbing, C. Falcke, M. Winnacker, H. Strittmatter, V. Sieber, Macromol. Rapid Commun. 2019, 40, 1800903</li><li>
3 I. K. Ilic, M. Meurer, S. Chaleawlert-umpon, M. Antonietti, C. Liedel, RSC Advances 2019, 9, 4591–4598</li><li>
4 T. Kunde, W. Meesorn, C. Weder, H. G. Börner, Macromol. Rapid Commun. 2019, 40, 1800612</li><li>
5 P. B. V. Scholten, C. Detrembleur, M. A. R. Meier, ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 2751–2762</li><li>
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