Untersuchung der lateralen Organisation und Phasenumwandlung von festkörperunterstützten Lipidmembranen

Im ersten Teil der Arbeit wurde das Bindungsverhalten von Annexin A1 und Annexin A2t an festkörperunterstützte Lipidmembranen aus POPC und POPS untersucht. Für beide Proteine konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass irreversible Bindung nur in Anwesenheit von POPS auftritt. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen konnte die laterale Organisation der Annexine auf der Lipidmembran dargestellt werden. Beide Proteine lagern sich in Form lateraler Aggregate (zweidimensionale Domänen) auf der Oberfläche an, außerdem ist der Belegungsgrad und die Größe der Domänen von der Membranzusammensetzung und der Calciumkonzentration abhängig. Mit zunehmendem POPS-Gehalt und Calciumkonzentration steigt der Belegungsgrad an und der mittlere Domänenradius wird kleiner. Diese Ergebnisse konnten in Verbindung mit detaillierten Bindungsstudien des Annexins A1 mit der Quarzmikrowaage verwendet werden, um ein Bindungsmodell auf Basis einer heterogenen Oberfläche zu entwickeln. Auf einer POPC-reichen Matrix findet reversible Adsorption statt und auf POPS-reichen Domänen irreversible Adsorption. Durch die Anpassung von dynamischen Monte Carlo-Simulationen basierend auf einer zweidimensionalen zufälligen sequentiellen Adsorption konnten Erkenntnisse über die Membranstruktur und die kinetischen Ratenkonstanten in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration und der Inkubationszeit des Proteins gewonnen werden. Die irreversible Bindung ist in allen Calciumkonzentrationsbereichen schneller als die reversible. Außerdem zeigt die irreversible Adsorption eine deutlich stärkere Abhängigkeit von der Calciumkonzentration. Ein kleinerer Belegungsgrad bei niedrigen Ca2+-Gehalten ist hauptsächlich durch die Abnahme der verfügbaren Bindungsplätze auf der Oberfläche zu erklären. Die gute Übereinstimmung der aus den Monte Carlo-Simulationen erhaltenen Domänenstrukturen mit den rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und die Tatsache, dass sich die simulierten Resonanzfrequenzverläufe problemlos an die experimentellen Kurven aus den QCM-Messungen anpassen ließen, zeigt die gute Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsprogramms auf die Adsorption von Annexin A1. Die Extraktion der kinetischen Parameter aus dem zweidimensionalen RSA-Modell ist mit Sicherheit einem einfachen Langmuir-Ansatz überlegen. Bei einem Langmuir-Modell erfolgt eine integrale Erfassung einer einzelnen makroskopischen Geschwindigkeitskonstante, während durch das RSA-Modell eine differenzierte Betrachtung des reversiblen und irreversiblen Bindungsprozesses möglich ist. Zusätzlich lassen sich mikroskopische Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das thermotrope Phasenverhalten von festkörperunterstützten Phospholipidbilayern untersucht. Dazu wurden mikrostrukturierte, frei stehende Membranstreifen präpariert und mit Hilfe der bildgebenden Ellipsometrie untersucht. Dadurch konnten die temperaturabhängigen Verläufe der Schichtdicke und der lateralen Membranausdehnung parallel beobachtet werden. Die ermittelten Phasenübergangstemperaturen von DMPC, diC15PC und DPPC lagen 2 - 3 °C oberhalb der Literaturwerte für vesikuläre Systeme. Außerdem wurde eine deutliche Verringerung der Kooperativität der Phasenumwandlung gefunden, was auf einen großen Einfluss des Substrats bei den festkörperunterstützten Lipidmembranen schließen lässt. Zusätzlich wurde ein nicht systematischer Zusammenhang der Ergebnisse von der Oberflächenpräparation gefunden, der es unabdingbar macht, bei Untersuchungen von festkörperunterstützten Substraten einen internen Standard einzuführen. Bei der Analyse des thermotropen Phasenübergangsverhaltens von DMPC/Cholesterol - Gemischen wurde daher die individuelle Adressierbarkeit der strukturierten Lipidmembranen ausgenutzt und ein Lipidstreifen aus reinem DMPC als Standard verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das für Phospholipide typische Phasenübergangsverhalten ab 30 mol% Cholesterol in der Membran nicht mehr vorhanden ist. Dies ist auf die Bildung einer nur durch höhere Sterole induzierten fluiden Phase mit hoch geordneten Acylketten zurückzuführen. Abschließend konnte durch die Zugabe von Ethanol zu einer mikrostrukturierten DMPC-Membran die Bildung eines interdigitierten Bilayers nachgewiesen werden. Die bildgebende Ellipsometrie ist eine sehr gute Methode zur Untersuchung festkörperunterstützter Lipidmembranen, da sie über ein sehr gutes vertikales und ein ausreichendes laterales Auflösungsvermögen besitzt. Sie ist darin zwar einem Rasterkraftmikroskop noch unterlegen, besitzt dafür aber eine einfachere Handhabung beim Umgang mit Flüssigkeiten und in der Temperierung, eine schnellere Bildgebung und ist als optische Methode nicht-invasiv.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

Novel Synthetic Procedures in Organocatalysis

The main aim of my PhD project was the design and the synthesis of new pyrrolidine organocatalysts. New effective ferrocenyl pyrrolidine catalysts, active in benchmark organocatalytic reactions, has been developed. The ferrocenyl moiety, in combination with simple ethyl chains, is capable of fixing the enamine conformation addressing the approach trajectory of the nucleophile in the reaction. The results obtained represent an interesting proof-of-concept, showing for the first time the remarkable effectiveness of the ferrocenyl moiety in providing enantioselectivity through conformational selection. This approach could be viably employed in the rational design of ligands for metal or organocatalysts. Other hindered secondary amines has been prepared from alkylation of acyclic chiral nitroderivatives with alcohols in a highly diastereoselective fashion, giving access to functionalized, useful organocatalytic chiral pyrrolidines. A family of new pyrrolidines bearing sterogenic centers and functional groups can be readily accessible by this methodology. The second purpose of the project was to study in deep the reactivity of stabilized carbocations in new metal-free and organocatalytic reactions. By taking advantage of the results from the kinetic studies described by Mayr, a simple and effective procedure for the direct formylation of aryltetrafluoroborate salts, has been development. The coupling of a range of aryl- and heteroaryl- trifluoroborate salts with 1,3-benzodithiolylium tetrafluoroborate, has been attempted in moderate to good yields. Finally, a simple and general methodology for the enamine-mediated enantioselective α-alkylation of α-substituted aldehydes with 1,3-benzodithiolylium tetrafluoroborate has been reported. The introduction of the benzodithiole moiety permit the installation of different functional groups due to its chameleonic behaviour.

Polymerisation in perfluorierter Emulsion

Die vorliegende Arbeit behandelt die Polymerisation in nicht-wässrigen Emulsionen – bestehend aus einem perfluorierten Solvens und einem Kohlenwasserstoff - unter Einsatz verschiedener Monomere, Katalysatoren und Polymeristionsmethoden zur Generierung von Polymerpartikeln verschiedenster Art. Es wurde gezeigt, dass in diesen inerten Medien zahlreiche Methoden zur Polymererzeugung unter gleichzeitiger Morphologiekontrolle eingesetzt werden können, die in konventionellen wässrigen, heterophasischen Systemen versagen.rnrnAusgangspunkt war die literaturbekannte Metallocen-katalysierte Synthese von Polyethylen (PE)- und Polypropylen (PP)-Nanopartikeln in perfluorierter Emulsion in Gegenwart hochmolekularer Blockcopolymere als Stabilisierungsagens. Mithilfe kinetischer Untersuchungen hinsichtlich der PE-Synthese wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Modell entwickelt, welches den Diffusionsweg eines gasförmigen Monomers über die verschiedenen Phasengrenzen hinweg zum aktiven katalytischen Zentrum in der dispergierten Phase beschreibt. Ferner konnte die Diffusions- und Reaktionsbestimmtheit der Reaktion in Abhängigkeit verschiedener Reaktionsparameter nachgewiesen sowie ein tieferer Einblick über den Ort der Polymerisation in den heterophasischen Systemen erhalten werden.rnrnDie so gewonnenen Erkenntnisse wurden für die erfolgreiche Synthese von Poly(ethylen-1-hexen)-Copolymeren in perfluorierter Emulsion genutzt, wobei der Comonomergehalt im resultierenden Polymer über einen breiten Bereich variiert werden konnte. Neben der Homo- und Copolymerisation von Polyolefinen wurde in der vorliegenden Arbeit weiter gezeigt, dass die heterogenen Fluide zum Aufbau komplexerer Morphologien wie Kern-Schale-Nanopartikeln genutzt werden können; so gelangte man zu Partikeln mit Kernen aus isotaktischem PP, ummantelt von „weichem“ Poly(n-butylacrylat).rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der perfluorierten Emulsionen, und so wurde bspw. der Zugang zu Polymerdispersionen aus konjugierten Materialien mit Partikeldurchmessern von 70-100 nm mittels Cyclopolymerisation eröffnet. Ferner konnten als bioverträgliche und biologisch abbaubare Materialien Partikel aus epsilon-Caprolacton in koordinativ-anionischer Polymerisation gewonnen werden. Im Zuge dessen wurden Emulgatoren entwickelt, die den Einsatz polarer Monomere in perfluorierter Emulsion erlauben.rnrnSchlussendlich konnten mittels trifunktioneller Polymere mit lipophilen und fluorophilen Gruppen sowie Lewis-basischen Ankergruppen Ag- und Cu-Partikel dergestalt oberflächenmodifiziert werden, dass ein homogenes Einbetten in eine perfluorierte Matrix möglich war, was antibakterielle perfluorierte Werkstoffe - erwiesen an E. coli - lieferte.

Funktionelle Analyse der Meprin-Metalloproteasen alpha und beta hinsichtlich ihrer physiologischen Regulation und biologischen Bedeutung

Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, ein besseres Verständnis der beiden Metalloproteasen Meprin α und β in ihrem proteolytischen Netzwerk hinsichtlich ihrer physiologischen Regulation durch endogene Inhibitoren, wie auch der biologischen Funktion von Meprin α für den Prozess der Angiogenese, zu erlangen. rnMit der Analyse des ersten identifizierten endogenen Meprin-Inhibitors Fetuin-A gelang die Bestimmung der Ki-Werte für Meprin α mit 4,2 x 10-5 M und 1,1 x 10-6 M für Meprin β. Des Weiteren konnte für Meprin β eine Schnittstelle im Fetuin-A validiert werden. Mit der Identifizierung von Cystatin C, einem Cystein-Protease-Inhibitor als endogener Inhibitor der Metalloprotease Meprin α, mit einem Ki-Wert von 8,5 x 10-6 M, wurden erstmals Proteasefamilie-übergreifende Inhibitionsmechanismen für Metalloproteasen offenbart.rnDie Analyse von drei potentiellen Meprin-Inhibitoren, identifiziert als Substrate in einem neuen Proteomics-Analyse-Verfahren terminal amine isotopic labeling of substrates (TAILS), ermöglichte die Charakterisierung von Elafin als spezifischen Meprin α-Inhibitor. Für Elafin ist es außerdem gelungen, die durch TAILS ermittelte Schnittstelle für Meprin α mittels Edman Sequenzierung zu validieren. Der secretory leukocyte peptidase inhibitor (SLPI), ein Elafin-Homolog, konnte als weiteres Meprin α-Substrat bestätigt werden. Außerdem gelang es, die Meprin α-Schnittstelle im SLPI zu validieren.rnEin weiteres Ziel dieser Arbeit war, ein besseres Verständnis der biologischen Funktion der Metalloprotease Meprin α zu erlangen. Hier konnte in vivo eine stark pro-angiogene Wirkung von Meprin α gezeigt werden und erstmals die Expression von Meprin α, jedoch nicht von Meprin β, in Endothelzellen nachgewiesen werden. Zugleich konnte mit der Analyse der durch die TAILS-Methode identifizierten pro-angiogenen Substrate vascular endothelial growth factor A (VEGF-A) und connective tissue growth factor (CTGF) der Regulationsmechanismus von Meprin α in der Angiogenese identifiziert werden. So ist Meprin α durch die Spaltung von CTGF in der Lage VEGF-A – gebunden und inhibiert im Komplex mit CTGF – durch proteolytische Spaltung von CTGF wieder freizusetzen. Somit wird die inhibierte VEGF-A-Aktivität wieder vollständig hergestellt. rnMit der Charakterisierung der ersten endogenen Meprin-Inhibitoren ist es gelungen, zu einem besseren Verständnis der endogenen Regulation der Meprine beizutragen und eine Proteasefamilie-übergreifende endogene Regulation aufzuzeigen. Mit der Entdeckung von Meprin α als pro-angiogene Protease und der Entschlüsselung des angiogenen Regulationsmechanismus konnte eine essentielle biologische Bedeutung dieser Protease beschrieben werden.rn

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Expanding the scope of poly(ethylene glycol)s for bioconjugation to squaric acid-mediated PEGylation and pH-sensitivity

Poly(ethylene glycol) (PEG) is used in a broad range of applications due to its unique combination of properties and is approved use in formulations for body-care products, edibles and medicine. This thesis aims at the synthesis and characterization of novel heterofunctional PEG structures and the establishment of diethyl squarate as a suitable linker for the covalent attachment to proteins. Chapter 1 is an introduction on the properties and applications of PEG as well as the fascinating chemistry of squaric acid derivatives. In Chapter 1.1, the synthesis and properties of PEG are described, and the versatile applications of PEG derivatives in everyday products are emphasized with a focus on PEG-based pharmaceuticals and nonionic surfactants. This chapter is written in German, as it was published in the German Journal Chemie in unserer Zeit. Chapter 1.2 deals with PEGs major drawbacks, its non-biodegradability, which impedes parenteral administration of PEG conjugates with polyethers exceeding the renal excretion limit, although these would improve blood circulation times and passive tumor targeting. This section gives a comprehensive overview of the cleavable groups that have been implemented in the polyether backbone to tackle this issue as well as the synthetic strategies employed to accomplish this task. Chapter 1.3 briefly summarizes the chemical properties of alkyl squarates and the advantages in protein conjugation chemistry that can be taken from its use as a coupling agent. In Chapter 2, the application of diethyl squarate as a coupling agent in the PEGylation of proteins is illustrated. Chapter 2.1 describes the straightforward synthesis and characterization of squaric acid ethyl ester amido PEGs with terminal hydroxyl functions or methoxy groups. The reactivity and selectivity of theses activated PEGs are explored in kinetic studies on the reactions with different lysine and other amino acid derivatives, followed by 1H NMR spectroscopy. Further, the efficient attachment of the novel PEGs to a model protein, i.e., bovine serum albumin (BSA), demonstrates the usefulness of the new linker for the PEGylation with heterofunctional PEGs. In Chapter 2.3 initial studies on the biocompatibility of polyether/BSA conjugates synthesized by the squaric acid mediated PEGylation are presented. No cytotoxic effects on human umbilical vein endothelial cells exposed to various concentrations of the conjugates were observed in a WST-1 assay. A cell adhesion molecule - enzyme immunosorbent assay did not reveal the expression of E-selectin or ICAM-1, cell adhesion molecules involved in inflammation processes. The focus of Chapter 3 lies on the syntheses of novel heterofunctional PEG structures which are suitable candidates for the squaric acid mediated PEGylation and exhibit superior features compared to established PEGs applied in bioconjugation. Chapter 3.1 describes the synthetic route to well-defined, linear heterobifunctional PEGs carrying a single acid-sensitive moiety either at the initiation site or at a tunable position in the polyether backbone. A universal concept for the implementation of acetal moieties into initiators for the anionic ring-opening polymerization (AROP) of epoxides is presented and proven to grant access to the degradable PEG structures aimed at. The hydrolysis of the heterofunctional PEG with the acetal moiety at the initiating site is followed by 1H NMR spectroscopy in deuterium oxide at different pH. In an exploratory study, the same polymer is attached to BSA via the squarate acid coupling and subsequently cleaved from the conjugate under acidic conditions. Furthermore, the concept for the generation of acetal-modified AROP initiators is demonstrated to be suitable for cholesterol, and the respective amphiphilic cholesteryl-PEG is cleaved at lowered pH. In Chapter 3.2, the straightforward synthesis of α-amino ω2-dihydroxyl star-shaped three-arm PEGs is described. To assure a symmetric length of the hydroxyl-terminated PEG arms, a novel AROP initiator is presented, who’s primary and secondary hydroxyl groups are separated by an acetal moiety. Upon polymerization of ethylene oxide for these functionalities and subsequent cleavage of the acid-labile unit no difference in the degree of polymerization is seen for both polyether fragments.

Atropisomeric xanthines: Synthesis, stereodynamics and absolute configuration

During the thesis period a new class of atropisomeric xanthine derivatives has been studied. We decided to focus our attention on these purine bases because of their various biological activities, that could play an important role in the discovery of new bioactive atropisomers. The synthesized compounds bear an Aryl-N chiral axis in position 1 of the xanthine scaffold, around which the rotation is prevented by the presence of bulky ortho substituents. Through a retro synthetic analysis we synthesized three atropisomeric structures bearing in position 1 of the purine scaffold respectively an o-tolyl, o-nitrophenyl and a 1-naphthyl group. The conformational studies by DFT simulations showed that the interconversion energy barrier between the two available skewed conformations is higher enough to obtain thermally stable atropisomers. After the separation of the atropisomers, the experimental energy of interconversion was investigated by means of kinetic studies following the thermal racemization process using an enantioselective HPLC column. The absolute configuration of each atropisomer was assigned by experimental ECD analysis and TD-DFT simulations of the ECD spectra.

Identification of a fibronectin interaction site in the extracellular matrix protein ameloblastin

Mammalian teeth are composed of hydroxyapatite crystals that are embedded in a rich extracellular matrix. This matrix is produced by only two cell types, the mesenchymal odontoblasts and the ectodermal ameloblasts. Ameloblasts secrete the enamel proteins amelogenin, ameloblastin, enamelin and amelotin. Odontoblasts secrete collagen type I and several calcium-binding phosphoproteins including dentin sialophosphoprotein, dentin matrix protein, bone sialoprotein and osteopontin. The latter four proteins have recently been grouped in the family of the SIBLINGs (small integrin-binding ligand, N-linked glycoproteins) because they display similar gene structures and because they contain an RGD tripeptide sequence that binds to integrin receptors and thus mediates cell adhesion. We have prepared all the other tooth-specific proteins in recombinant form and examined whether they might also promote cell adhesion similar to the SIBLINGs. We found that only ameloblastin consistently mediated adhesion of osteoblastic and fibroblastic cells to plastic or titanium surfaces. The activity was dependent on the intact three-dimensional structure of ameloblastin and required de novo protein synthesis of the adhering cells. By deletion analysis and in vitro mutagenesis, the active site could be narrowed down to a sequence of 13 amino acid residues (VPIMDFADPQFPT) derived from exon 7 of the rat ameloblastin gene or exons 7-9 of the human gene. Kinetic studies and RNA interference experiments further demonstrated that this sequence does not directly bind to a cell surface receptor but that it interacts with cellular fibronectin, which in turn binds to integrin receptors. The identification of a fibronectin-binding domain in ameloblastin might permit interesting applications for dental implantology. Implants could be coated with peptides containing the active sequence, which in turn would recruit fibronectin from the patient's blood. The recruited fibronectin should then promote cell adhesion on the implant surface, thereby accelerating osseointegration of the implant.

Tripyrrolidinophosphoric acid triamide as an activator in samarium diiodide reductions

The electrochemical and spectrophotometric characterization of the complex formed from samarium diiodide and 4 equiv of tripyrrolidinophosphoric acid triamide (TPPA) is presented. Kinetic studies indicate that the SmI(2)/TPPA complex possesses reactivity greater than the complex formed between samarium diiodide and 4 equiv of HMPA. Examples of the use of SmI(2)/TPPA in synthesis are presented.

Fetuin-A and cystatin C are endogenous inhibitors of human meprin metalloproteases

Meprin and , zinc metalloproteinases, play significant roles in inflammation, including inflammatory bowel disease (IBD), possibly by activating cytokines, like interleukin 1 , interleukin 18, or tumor growth factor . Although a number of potential activators for meprins are known, no endogenous inhibitors have been identified. In this work, we analyzed the inhibitory potential of human plasma and identified bovine fetuin-A as an endogenous meprin inhibitor with a K(i) (inhibition constant) of 4.2 × 10(-5) M for meprin and a K(i) of 1.1 × 10(-6) M meprin . This correlated with data obtained for a fetuin-A homologue from carp (nephrosin inhibitor) that revealed a potent meprin and inhibition (residual activities of 27 and 22%, respectively) at a carp fetuin concentration of 1.5 × 10(-6) M. Human fetuin-A is a negative acute phase protein involved in inflammatory diseases, thus being a potential physiological regulator of meprin activity. We report kinetic studies of fetuin-A with the proteolytic enzymes astacin, LAST, LAST_MAM, trypsin, and chymotrypsin, indeed demonstrating that fetuin-A is a broad-range protease inhibitor. Fetuin-A inhibition of meprin activity was 40 times weaker than that of meprin activity. Therefore, we tested cystatin C, a protein structurally closely related to fetuin-A. Indeed, cystatin C was an inhibitor for human meprin (K(i) = 8.5 × 10(-6) M) but, interestingly, not for meprin . Thus, the identification of fetuin-A and cystatin C as endogenous proteolytic regulators of meprin activity broadens our understanding of the proteolytic network in plasma.

Reduction in hepatic drug metabolizing CYP3A4 activities caused by P450 oxidoreductase mutations identified in patients with disordered steroid metabolism

Cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), the major P450 present in human liver metabolizes approximately half the drugs in clinical use and requires electrons supplied from NADPH through NADPH-P450 reductase (POR, CPR). Mutations in human POR cause a rare form of congenital adrenal hyperplasia from diminished activities of steroid metabolizing P450s. In this study we examined the effect of mutations in POR on CYP3A4 activity. We used purified preparations of wild type and mutant human POR and in vitro reconstitution with purified CYP3A4 to perform kinetic studies. We are reporting that mutations in POR identified in patients with disordered steroidogenesis/Antley-Bixler syndrome (ABS) may reduce CYP3A4 activity, potentially affecting drug metabolism in individuals carrying mutant POR alleles. POR mutants Y181D, A457H, Y459H, V492E and R616X had more than 99% loss of CYP3A4 activity, while POR mutations A287P, C569Y and V608F lost 60-85% activity. Loss of CYP3A4 activity may result in increased risk of drug toxicities and adverse drug reactions in patients with POR mutations.

SerpinB1 protects the mature neutrophil reserve in the bone marrow

SerpinB1 is among the most efficient inhibitors of neutrophil serine proteases--NE, CG, and PR-3--and we investigated here its role in neutrophil development and homeostasis. We found that serpinB1 is expressed in all human bone marrow leukocytes, including stem and progenitor cells. Expression levels were highest in the neutrophil lineage and peaked at the promyelocyte stage, coincident with the production and packaging of the target proteases. Neutrophil numbers were decreased substantially in the bone marrow of serpinB1(-/-) mice. This cellular deficit was associated with an increase in serum G-CSF levels. On induction of acute pulmonary injury, neutrophils were recruited to the lungs, causing the bone marrow reserve pool to be completely exhausted in serpinB1(-/-) mice. Numbers of myeloid progenitors were normal in serpinB1(-/-) bone marrow, coincident with the absence of target protease expression at these developmental stages. Maturation arrest of serpinB1(-/-) neutrophils was excluded by the normal CFU-G growth in vitro and the normal expression in mature neutrophils of early and late differentiation markers. Normal absolute numbers of proliferating neutrophils and pulse-chase kinetic studies in vivo showed that the bone marrow deficit in serpinB1(-/-) mice was largely restricted to mature, postmitotic neutrophils. Finally, upon overnight culture, apoptosis and necrosis were greater in purified bone marrow neutrophils from serpinB1(-/-) compared with WT mice. Collectively, these findings demonstrate that serpinB1 sustains a healthy neutrophil reserve that is required in acute immune responses.

Identification and quantification of a new family of peptide endocannabinoids (Pepcans) showing negative allosteric modulation at CB1 receptors

The α-hemoglobin-derived dodecapeptide RVD-hemopressin (RVDPVNFKLLSH) has been proposed to be an endogenous agonist for the cannabinoid receptor type 1 (CB(1)). To study this peptide, we have raised mAbs against its C-terminal part. Using an immunoaffinity mass spectrometry approach, a whole family of N-terminally extended peptides in addition to RVD-Hpα were identified in rodent brain extracts and human and mouse plasma. We designated these peptides Pepcan-12 (RVDPVNFKLLSH) to Pepcan-23 (SALSDLHAHKLRVDPVNFKLLSH), referring to peptide length. The most abundant Pepcans found in the brain were tested for CB(1) receptor binding. In the classical radioligand displacement assay, Pepcan-12 was the most efficacious ligand but only partially displaced both [(3)H]CP55,940 and [(3)H]WIN55,212-2. The data were fitted with the allosteric ternary complex model, revealing a cooperativity factor value α < 1, thus indicating a negative allosteric modulation. Dissociation kinetic studies of [(3)H]CP55,940 in the absence and presence of Pepcan-12 confirmed these results by showing increased dissociation rate constants induced by Pepcan-12. A fluorescently labeled Pepcan-12 analog was synthesized to investigate the binding to CB(1) receptors. Competition binding studies revealed K(i) values of several Pepcans in the nanomolar range. Accordingly, using competitive ELISA, we found low nanomolar concentrations of Pepcans in human plasma and ∼100 pmol/g in mouse brain. Surprisingly, Pepcan-12 exhibited potent negative allosteric modulation of the orthosteric agonist-induced cAMP accumulation, [(35)S]GTPγS binding, and CB(1) receptor internalization. Pepcans are the first endogenous allosteric modulators identified for CB(1) receptors. Given their abundance in the brain, Pepcans could play an important physiological role in modulating endocannabinoid signaling.

Human intestinal maltase-glucoamylase: crystal structure of the N-terminal catalytic subunit and basis of inhibition and substrate specificity

Human maltase-glucoamylase (MGAM) is one of the two enzymes responsible for catalyzing the last glucose-releasing step in starch digestion. MGAM is anchored to the small-intestinal brush-border epithelial cells and contains two homologous glycosyl hydrolase family 31 catalytic subunits: an N-terminal subunit (NtMGAM) found near the membrane-bound end and a C-terminal luminal subunit (CtMGAM). In this study, we report the crystal structure of the human NtMGAM subunit in its apo form (to 2.0 A) and in complex with acarbose (to 1.9 A). Structural analysis of the NtMGAM-acarbose complex reveals that acarbose is bound to the NtMGAM active site primarily through side-chain interactions with its acarvosine unit, and almost no interactions are made with its glycone rings. These observations, along with results from kinetic studies, suggest that the NtMGAM active site contains two primary sugar subsites and that NtMGAM and CtMGAM differ in their substrate specificities despite their structural relationship. Additional sequence analysis of the CtMGAM subunit suggests several features that could explain the higher affinity of the CtMGAM subunit for longer maltose oligosaccharides. The results provide a structural basis for the complementary roles of these glycosyl hydrolase family 31 subunits in the bioprocessing of complex starch structures into glucose.