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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., This work was supported by the Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD to Philipps Universität Marburg and Zhejiang University, Hangzhou), the Chinesisch Deutsches Zentrum für Wissenschaftsförderung (“CDZ” to Z.G. and W.J.P.), and the Chinese Academy of Science (CAS). Part of this work was supported by the National Natural Science Foundation (51390481, 81227902, 81625011), National Basic Research Program (2014CB931900) of China (to Y.S.), by the European Commission grant Futurenanoneeds (to V.P. and W.J.P.), by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad (CTQ2011-23167 and CTQ2014-59808R to R.A.A.P.), the Generalitat of Catalunya (2014-SGR-612 to R.A.A.P.), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (AL552/8-1 to R.T.), the Swiss National Science Foundation (NRP62 to P.H.), the Claude & Julianna Foundation (grant to P.H.), the National Science Foundation (NSF) grants CHE-1306928 (to R.P.) and ECS-0601345; CBET 0933384; CBET 0932823; and CBET 1036672 (to N.A.K.), Canadian Institute of Health Research (grant to W.C.W.C.), and Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant to W.C.W.C.). S.A. and B.P. acknowledge a fellowship from the Alexander von Humboldt Foundation. N.F. acknowledges the Lars Hiertas Minne Foundation. M.C. acknowledges Ikerbasque for a Research Fellow position. X.C. acknowledges the Intramural Research Program (IRP), National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), National Institutes of Health (NIH). B.Z.T. acknowledges the Innovation and Technology Commission of Hong Kong (ITC-CNERC14SC01). The Pancreatic Cancer research of A.E.N. and H.M. was funded by the U.S. National Cancer Institute, NIH grant # U01CA198846. A.E. acknowledges Junta de Andalucía (Spain) for a Talentia Postdoc Fellowship, co-financed by the European Union's Seventh Framework Programme, grant agreement no 267226. A.G.S. acknowledges support by BOF (UGent) and FWO (Research Foundation Flanders). Part of this work was supported by the National Natural Science Foundation of China.

This thesis deals with the application of polymer capsules for diagnostic and therapeutic purposes in mammalian cells. The capsules comprise a multilayer shell of oppositely charged polyelectrolytes surrounding a cavity and have a size of two to five microns. Concerning diagnostics, capsules were produced to monitor the dynamics of the lysosomal pH in cancer cells. The cavities of the capsules were filled with a fluorescent, pH-sensitive dye for optical readout of the signal. The cells were monitored under physiological conditions upon induced pH imbalances. The results showed that the capsules were appropriate for intracellular long-term measurements and could monitor changes of the pH. For therapy, biodegradable capsules filled with biologically active molecules were synthesized. Two strategies were employed. In one approach, the cavity was filled with polyplexes of DNA or RNA and polyethylenimine, which are used regularly for the delivery of foreign genetic material into host cells. This approach is an example for gene therapy. The results showed that delivery by the capsules was very efficient and the encapsulated polyplexes were less toxic for the cells than their free counterparts. The other strategy was to directly deliver functional enzymes into cells. For this approach, cell models representing lysosomal storage diseases were employed. One of these diseases is Fabry. Patients with Fabry disease are deficient of the enzyme α galactosidase A. The enzyme was encapsulated in biodegradable capsules and given to the cells. This therapy form is called enzyme replacement therapy. The intracellular enzyme activity was determined by quantification of the intracellular level of a fluorescently labeled substrate of α galactosidase A. As the products of the reaction were non-fluorescent, the intracellular fluorescence could be used to quantify the intracellular activity of the encapsulated enzyme. Finally, therapy and diagnostics were combined in a model of Krabbe disease, another lysosomal storage disorder. In Krabbe patients, sphingolipids and cerebrosides accumulate in the oligodendritic glia cells of the patients, as due to a gene defect the enzyme galactocerebrosidase usually converting these agents is not expressed. In the model, the cause of the disease was simulated by incubation of oligodendritic cells with psychosine, which belongs to the group of sphingolipids. Galactocerebrosidase was encapsulated in biodegradable capsules and delivered to the cells. The functionality was tested by a viability assay. Two types of cells were used, wild-type cells expressing galactocerebrosidase and knockout cells, which did not express the enzyme. The viability of the cells in the presence of psychosine was determined with and without addition of galactocerebrosidase-filled capsules. The results showed that the effect of the capsules on the viability of the two different cell types was contrary. Whereas knockout cells gained higher viability when capsules were administered, wild-type cells suffered a loss in viability. The diagnostic part was characterized by monitoring the lysosomal pH upon incubation with psychosine. The dynamics of the lysosomal pH of the two types of cells turned out to be different. Each of the cell types could therefore be identified with a specific pH profile and the decision to treat cells with the enzyme-filled capsules can be based on the measured pH profile. This is considered an in vitro-example of theranostics, the combination of therapy and diagnostics., Die vorliegende Arbeit hat die Anwendung von Polymerkapseln in diagnostischen und therapeutischen Fragestellungen in Säugerzellen zum Thema. Die Kapseln bestehen aus einer Kavität umhüllt von mehrern gegensätzlich geladenen Polyelektrolytschichten und haben eine Größe von zwei bis fünf Mikrometern. Für die diagnostischen Anwendungen wurden Kapseln für die Beobachtung des lysosomalen pH-Wertes von Krebszellen synthetisiert. Die Kavitäten der Kapseln wurde dafür mit einem fluoreszenten, pH-abhängigen Farbstoff gefüllt, um das Signal optisch auszulesen. Die Dynamik des lysosomalen pH-Wertes unter äußerlicher Beeinflussung wurde vermessen. Aus den Ergebnissen ging hervor, dass die Kapseln für die intrazelluläre Langzeitmessung geeignet waren und Änderungen des pH-Wertes verfolgt werden konnten. Für therapeutische Aufgaben wurden bioabbaubare Kapseln mit biologisch aktiven Molekülen beladen. Zwei verschiedene Strategien wurden verwendet. Im ersten Fall wurde die Kavität der Kapseln mit Polyplexen aus DNA oder RNA und Polyetylenimin gefüllt, die weithin für die Einbringung von fremden Genmaterial in Zellen eingesetzt werden. Dies ist ein Beispiel für Gentherapie. Die Ergebnisse zeigten, dass die Integration des fremden Genmaterials mithilfe von Kapseln sehr effizient war und die eingekapselten Polyplexe weniger toxisch für die Zellen waren als freie Polyplexe. Die zweite Strategie war, funktionale Enzyme direkt zu integrieren. Dafür wurden Modelle für lysosomale Speicherkrankheiten eingesetzt. Patienten mit Morbus Fabry expremieren das Enzym α-Galactosidase A nicht oder nur unzureichend. Im Versuch wurden bioabbaubare Kapsel mit dem Enzym synthetisiert und den Modellzellen verabreicht. Diese Therapieform nennt man Enzymersatztherapie. Die intrazelluläre Enzymaktivität wurde mithilfe eines fluoreszenten Substrats von α Galactosidase A bestimmt. Da das Produkt der Enzymreaktion nichtfluoreszierend ist, kann aus der intrazellulären Fluoreszenz auf die Aktivität des Enzyms geschlossen werden. Zuletzt wurden Diagnose und Therapie in einem Modell für Morbus Krabbe, einer weiteren lysosomalen Speicherkrankheit, vereint. Bei Krabbe-Patienten sammeln sich Sphingolipide und Cerebroside in den oligodendritischen Glia-Zellen an, da das Enzym Galactocerebrosidase, das diese Stoffe normalerweise abbaut, aufgrund eines Gendefekts nicht expremiert wird. Im Modell wurden die Zellen mit dem Sphingolipid Psychosin inkubiert, um die Krankheit zu simulieren. Galactocerebrosidase wurde den Zellen mithilfe bioabbaubarer Kapseln verabreicht. Die Funktionalität des Enzyms wurde mit einem Viabilitätstest verifiziert. Zwei Typen von Zellen, der Wildtyp, der das Enzym expremierte, und Knockout-Zellen, die das Enzym nicht expremierten, wurden verwendet. Die Viabilität der Zellen bei Zugabe verschiedener Konzentrationen von Psychosin wurde mit und ohne Kapselzugabe bestimmt. Es zeigte sich, dass die Kapseln einen gegensätzlichen Effekt auf die zwei Typen von Zellen ausübten. Knockout-Zellen erreichten eine höhere Viabilität nach Zugabe der Enzym-Kapseln, wohingegen Wildtyp-Zellen eine leicht geringere hatten. Der diagnostische Part des Modells bestand in der Messung des lysosomalen pH-Wertes während der Inkubation mit Psychosin. Das zeitaufgelöste pH-Profil der beiden Zelltypen unterschied sich dabei. Daher kann die Entscheidung, ob Kapseln zur Therapie verabreicht werden sollten, von der Diagnose durch die pH-Messung abhängig gemacht werden. Dies kann man als in vitro-Beispiel für Theranostik betrachten, der Kombination aus Therapie und Diagnose.