PDF, English - main document Restricted access: Repository staff only until 6 May 2026. Login+Download (7MB) | Lizenz: Design of Near Infrared Light-Responsive Vesicle-Based Cargo Delivery Platform by Schramm, Anastassiya underlies the terms of Creative Commons Attribution - ShareAlike 3.0 Germany

Abstract

Cargo delivery systems enable targeted drug transport, improving treatment effectiveness while reducing systemic side effects. Passive systems, though widely used due to their simplicity and cost-effectiveness, lack targeted delivery and controlled release. In contrast, active delivery systems respond to environmental stimuli, offering greater control and fewer side effects. Among them, hybrid systems combining lipid vesicles and gold nanoparticles are particularly promising due to their biomimetic properties and excellent photothermal responsiveness. However, many existing designs struggle to balance stability, biocompatibility, and control over release, highlighting the need for improved strategies. In this work, a near-infrared (NIR) light-responsive delivery platform based on giant unilamellar vesicles (GUVs) functionalized with gold nanorods (GNRs) is developed to overcome these challenges. With this aim, cargo-loaded biocompatible GUVs are produced using the emulsion transfer method. Effective GNRs attachment to the GUVs’ membrane is achieved by functionalizing the GNRs with Cholesterol, forming hybrid GNR-GUV complexes. Cargo release from the GNR-GUV hybrid system is demonstrated, and the underlying NIR-triggered release mechanism is described. Importantly, high release efficiency is reached by optimizing the Cholesterol concentration on GNRs, which plays a crucial role in controlling their aggregation on the GUV membrane. Finally, the practical potential of the developed trigger-responsive GNR-GUV hybrid system is demonstrated in a biological antibacterial context, in which Ampicillin-loaded GUVs are successfully implemented to trigger the elimination of E. coli bacteria. The developed biocompatible modular system provides a controlled delivery approach with broad potential for therapeutics, diagnostics and other biomedical applications.

Translation of abstract (German)

Cargo-Delivery-Systeme ermöglichen den gezielten Transport von Wirkstoffen und verbessern die Behandlungseffizienz, während systemische Nebenwirkungen reduziert werden. Passive Systeme sind weit verbreitet, bieten jedoch weder gezielte Abgabe noch kontrollierte Freisetzung. Im Gegensatz dazu reagieren aktive Freisetzungssysteme auf Umweltreize und bieten höhere Spezifität sowie geringere Nebenwirkungen. Besonders vielversprechend sind Hybridsysteme, die Lipidvesikel als Träger mit Goldnanopartikeln kombinieren und biomimetische Eigenschaften mit hervorragender photothermischer Reaktionsfähigkeit vereinen. Viele bestehende Systeme kämpfen jedoch mit der Herausforderung Stabilität, Biokompatibilität und kontrollierte Freisetzung in Einklang zu bringen, was den Bedarf an verbesserten Strategien unterstreicht. Diese Arbeit präsentiert eine NIR-gesteuerte Freisetzungsplattform basierend auf riesigen unilamellaren Vesikeln (GUVs), die mit Goldnanostäbchen (GNRs) funktionalisiert sind. Dazu wurden biokompatible, mit Wirkstoffen beladene GUVs mittels Emulsionstransfermethode hergestellt. Die effiziente Bindung der GNRs an die GUV-Membran erfolgte durch Cholesterolfunktionalisierung, wodurch hybride GNR-GUV-Komplexe entstanden. Die Wirkstofffreisetzung aus dem GNR-GUV-Hybridsystem wurde demonstriert, und der zugrunde liegende NIR-induzierte Freisetzungsmechanismus beschrieben. Eine hohe Freisetzungseffizienz wurde durch die Optimierung der Cholesterinkonzentration auf den GNRs erreicht, da diese deren Aggregation auf der GUV-Membran steuert. Schließlich wurde das System biologisch validiert, indem Ampicillin in GUVs eingeschlossen und erfolgreich zur Eliminierung von E. coli-Bakterien eingesetzt wurde. Nach der NIR-getriggerten Antibiotikafreisetzung hemmte sich das Bakterienwachstum, was das Potenzial des entwickelten stimuli-responsiven GNR-GUV-Hybridsystems verdeutlicht. Dieses biokompatible und vielseitige System ermöglicht eine präzise Freisetzung mit großem Potenzial für Therapeutika, Diagnostika und andere biomedizinische Anwendungen.