Innovative Homogeneous and Heterogeneous Systems for Electrochemically Generated Luminescence Investigations: Towards One-Dimensional ECL

My research PhD work is focused on the Electrochemically Generated Luminescence (ECL) investigation of several different homogeneous and heterogeneous systems. ECL is a redox induced emission, a process whereby species, generated at electrodes, undergo a high-energy electron transfer reaction to form excited states that emit light. Since its first application, the ECL technique has become a very powerful analytical tool and has widely been used in biosensor transduction. ECL presents an intrinsically low noise and high sensitivity; moreover, the electrochemical generation of the excited state prevents scattering of the light source: for all these characteristics, it is an elective technique for ultrasensitive immunoassay detection. The majority of ECL systems involve species in solution where the emission occurs in the diffusion layer near to the electrode surface. However, over the past few years, an intense research has been focused on the ECL generated from species constrained on the electrode surface. The aim of my work is to study the behavior of ECL-generating molecular systems upon the progressive increase of their spatial constraints, that is, passing from isolated species in solution, to fluorophores embedded within a polymeric film and, finally, to patterned surfaces bearing “one-dimensional” emitting spots. In order to describe these trends, I use different “dimensions” to indicate the different classes of compounds. My thesis was mostly developed in the electrochemistry group of Bologna with the supervision of Prof Francesco Paolucci and Dr Massimo Marcaccio. With their help and also thanks to their long experience in the molecular and supramolecular ECL fields and in the surface investigations using scanning probe microscopy techniques, I was able to obtain the results herein described. Moreover, during my research work, I have established a new collaboration with the group of Nanobiotechnology of Prof. Robert Forster (Dublin City University) where I spent a research period. Prof. Forster has a broad experience in the biomedical field, especially he focuses his research on film surfaces biosensor based on the ECL transduction. This thesis can be divided into three sections described as follows: (i) in the fist section, homogeneous molecular and supramolecular ECL-active systems, either organic or inorganic species (i.e., corannulene, dendrimers and iridium metal complex), are described. Driving force for this kind of studies includes the search for new luminophores that display on one hand higher ECL efficiencies and on the other simple mechanisms for modulating intensity and energy of their emission in view of their effective use in bioconjugation applications. (ii) in the second section, the investigation of some heterogeneous ECL systems is reported. Redox polymers comprising inorganic luminophores were described. In such a context, a new conducting platform, based on carbon nanotubes, was developed aimed to accomplish both the binding of a biological molecule and its electronic wiring to the electrode. This is an essential step for the ECL application in the field of biosensors. (iii) in the third section, different patterns were produced on the electrode surface using a Scanning Electrochemical Microscopy. I developed a new methods for locally functionalizing an inert surface and reacting this surface with a luminescent probe. In this way, I successfully obtained a locally ECL active platform for multi-array application.

Die Synthese von Glycopeptiden und Glycopeptid-Protein-Konjugaten mit einer Partialstruktur des tumorassoziierten Mucins MUC1 zur Entwicklung von Tumorvakzinen

„Synthese von Glycopeptiden und Glycopeptid-Protein-Konjugaten mit einer Partialstruktur des tumorassoziierten Mucins MUC1 zur Entwicklung von Tumorvakzinen“ Das Glycoprotein MUC1 ist in Tumorepithelzellen sonderlich stark überexprimiert und wegen der vorzeitig einsetzenden Sialylierung sind die Saccharid-Epitope der O-Glycanketten stark verkürzt (sog. tumorassoziierte Antigene). Dadurch werden auch bisher verborgene Peptidepitope des Glycoprotein-Rückgrates auf der Zelloberfläche der Epithelzellen zugänglich, die als fremd von den Zellen des Immunsystems erkannt werden können. Dies macht das MUC1-Zelloberfächenmolekül zu einem Zielmolekül in der Entwicklung von Tumorvakzinen. Diese beiden strukturellen Besonderheiten wurden in der Synthese von Glycohexadecapeptiden verbunden, indem die veränderten tumorassoziierten Saccharidstrukturen TN-, STN- und T-Antigen als Glycosylaminosäure-Festphasenbausteine synthetisiert wurden und in das Peptidepitop der Wiederholungseinheit des MUC1 durch Glycopeptid-Festphasensynthese eingebaut wurden. Wegen der inhärenten schwachen Immunogenität der kurzen Glycopeptide müssen die synthetisierten Glycopeptidstrukturen an ein Trägerprotein, welches das Immunsystem stimuliert, gebunden werden. Zur Anbindung der Glycopeptide ist ein selektives Kupplungsverfahren nötig, um definierte und strukturell einheitliche Glycopeptid-Protein-Konjugate zu erhalten. Es konnte eine neue Methode entwickelt werden, bei der die Konjugation durch eine radikalische Additionsreaktion von als Allylamide funktionalisierten Glycopeptiden an ein Thiol-modifiziertes Trägerprotein erfolgte. Dazu wurde anhand von synthetisierten, als Allylamide modifizierten Modellaminosäuren untersucht, ob diese Reaktion generell für eine Biokonjugation geeignet ist und etwaige Nebenreaktionen auftreten können. Mit dieser Methode konnten verschiedene MUC1-Glycopeptid-Trägerprotein-Konjugate hergestellt werden, deren immunologische Untersuchung noch bevorsteht. Das tumorassoziierte MUC1 nimmt in der immundominanten Region seiner Wiederholungseinheit eine knaufartige Struktur ein. Für die Entwicklung von selektiven Tumorvakzinen ist es von großer Bedeutung möglichst genau die Struktur der veränderten Zelloberflächenmoleküle nachzubilden. Durch die Synthese von cyclischen (Glyco)Peptiden wurde dieses Strukturelement fixiert. Dazu wurden olefinische Aminosäure Festphasenbausteine hergestellt, die zusammen mit den oben genannten Glycosylaminosäuren mittels einer Glycopeptid-Festphasensynthese in acyclische Glycopeptide eingebaut wurden. Diese wurden dann durch Ringschlussmetathese zyklisiert und im Anschluss reduziert und vollständig deblockiert. In einem dritten Projekt wurde der Syntheseweg zur Herstellung einer C-Glycosylaminosäure mit einer N-Acetylgalactosamin-Einheit entwickelt. Wichtige Schritte bei der von Glucosamin ausgehenden Synthese sind die Keck-Allylierung, eine Epimerisierung, die Herstellung eines Brom-Dehydroalanin-Derivates und eine B-Alkyl-Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung sowie Schutzgruppenoperationen. Der racemische Baustein konnte dann in der Peptid-Festphasensynthese eines komplexen MUC1-Tetanustoxin-Konjugates eingesetzt werden.

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

Synthese und Charakterisierung von zylindrischen Bürsten mit polypept(o)idischen Seitenketten als nanopartikuläre Trägersysteme

Zylindrische Polymerbürsten mit pept(o)idischen Seitenketten sind auf Grund ihrer elongierten Topologie, Bioverträglichkeit und hohen Dichte an funktionellen Gruppen vielversprechende Kandidaten für Anwendungen im Bereich des kontrollierten Wirkstoff- bzw. Gentransportes.In dieser Arbeit wurden Polylysin und Polysarkosin als Bestandteile der Seitenketten verwendet. Polylysin dient als positiv geladener Polypeptidblock für die Komplexierung von Polynukleotiden. Polysarkosin reduziert mit seinem „Stealth“-Effekt die Toxizität des Trägersystems und vermindert Wechselwirkungen mit dem Immunsystem. Über den „grafting from“-Ansatz und mit Hilfe der ringöffnenden NCA-Polymerisation konnten erstmals zylindrische Bürsten mit reinen Polysarkosin-Seitenketten sowie mit amphiphilen Seitenketten aus einem Polylysinkern und einer Polysarkosinschale hergestellt werden. Die Bürsten wurden mittels Lichtstreuung, GPC, CD-Spektroskopie und AFM charakterisiert. Die hohe Biokompatibilität beider Bürsten konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden.Die Polysarkosin-Bürsten konnten zusätzlich an den Seitenkettenenden mit Azidgruppen funktionalisiert werden, welche eine effektive Biokonjugation ermöglichen. Die zylindrischen Bürsten zeigten nach ihrer Modifikation keine unspezifische Aufnahme in dendritische Zellen und könnten somit als Ausgangssubstanzen für die Synthese polymerbasierter Antikörper-Antigen-Konjugate in der Krebsimmuntherapie verwendet werden.Die Kern-Schale-Bürsten konnten erfolgreich mit siRNA komplexiert werden, ohne dass dabei eine Aggregation auftrat. In ersten Gen-Knockdown-Experimenten zeigten ihre Komplexe eine signifikante Verminderung der ApoB100-Proteinexpression in AML-12 Hepatozyten und könnten daher zukünftig als Transfektionsmittel in der Gentherapie ihren Einsatz finden.

Last-step enzymatic [18F]-fluorination of cysteine-tethered RGD peptides using modified Barbas linkers

Acknowledgements We thank the Engineering and Physical Sciences Research Council, UK, for a research grant. Funded by Engineering and Physical Sciences Research Council, UK

Sortase as a Tool in Biotechnology and Medicine

We have harnessed two reactions catalyzed by the enzyme sortase A and applied them to generate new methods for the purification and site-selective modification of recombinant protein therapeutics.

We utilized native peptide ligation —a well-known function of sortase A— to attach a small molecule drug specifically to the carboxy-terminus of a recombinant protein. By combining this reaction with the unique phase behavior of elastin-like polypeptides, we developed a protocol that produces homogenously-labeled protein-small molecule conjugates using only centrifugation. The same reaction can be used to produce unmodified therapeutic proteins simply by substituting a single reactant. The isolated proteins or protein-small molecule conjugates do not have any exogenous purification tags, eliminating the potential influence of these tags on bioactivity. Because both unmodified and modified proteins are produced by a general process that is the same for any protein of interest and does not require any chromatography, the time, effort, and cost associated with protein purification and modification is greatly reduced.

We also developed an innovative and unique method that attaches a tunable number of drug molecules to any recombinant protein of interest in a site-specific manner. Although the ability of sortase A to carry out native peptide ligation is widely used, we demonstrated that Sortase A is also capable of attaching small molecules to proteins through an isopeptide bond at lysine side chains within a unique amino acid sequence. This reaction —isopeptide ligation— is a new site-specific conjugation method that is orthogonal to all available protein-small conjugation technologies and is the first site-specific conjugation method that attaches the payload to lysine residues. We show that isopeptide ligation can be applied broadly to peptides, proteins, and antibodies using a variety of small molecule cargoes to efficiently generate stable conjugates. We thoroughly assessed the site-selectivity of this reaction using a variety of analytical methods and showed that in many cases the reaction is site-specific for lysines in flexible, disordered regions of the substrate proteins. Finally, we showed that isopeptide ligation can be used to create clinically-relevant antibody-drug conjugates that have potent cytotoxicity towards cancerous cells

Bio-conjugation of antioxidant peptide on surface-modified gold nanoparticles: a novel approach to enhance the radical scavenging property in cancer cell

BACKGROUND: Functionalized gold nanoparticles are emerging as a promising nanocarrier for target specific delivery of the therapeutic molecules in a cancer cell, as a result it targeted selectively to the cancer cell and minimized the off-target effect. The functionalized nanomaterial (bio conjugate) brings novel functional properties, for example, the high payload of anticancer, antioxidant molecules and selective targeting of the cancer molecular markers. The current study reported the synthesis of multifunctional bioconjugate (GNPs-Pep-A) to target the cancer cell. METHODS: The GNPs-Pep-A conjugate was prepared by functionalization of GNPs with peptide-A (Pro-His-Cys-Lys-Arg-Met; Pep-A) using thioctic acid as a linker molecule. The GNPs-Pep-A was characterized and functional efficacy was tested using Retinoblastoma (RB) cancer model in vitro. RESULTS: The GNPs-Pep-A target the reactive oxygen species (ROS) in RB, Y79, cancer cell more effectively, and bring down the ROS up to 70 % relative to control (untreated cells) in vitro. On the other hand, Pep-A and GNPs showed 40 and 9 % reductions in ROS, respectively, compared to control. The effectiveness of bioconjugate indicates the synergistic effect, due to the coexistence of both organic (Pep-A) and inorganic phase (GNPs) in novel GNPs-Pep-A functional material. In addition to this, it modulates the mRNA expression of antioxidant genes glutathione peroxidase (GPX), superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) by two-threefolds as observed. CONCLUSIONS: The effects of GNPs-Pep-A on ROS reduction and regulation of antioxidant genes confirmed that Vitis vinifera L. polyphenol-coated GNPs synergistically improve the radical scavenging properties and enhanced the apoptosis of cancer cell.