Synthese von selbstaggregierenden Glycopeptidkonjugaten mit (per)fluorierten Membranankern

Für eine effektive Erkennung tumorassoziierter Kohlenhydratantigene durch das Immun-system in der Krebs¬immuntherapie ist eine multivalente Präsentation der Haptene notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Zugang zu einer solch räumlichen Konzentration der Haptene untersucht, indem MUC1-Antigene mit perfluorierten Alkylketten funktionalisiert und in einer geeigneten Lipidmatrix entmischt wurden. Perfluoralkyl-Amphiphile zeichnen sich durch eine hohe Entmischungstendenz in Alkyllipiden aus und bewirken dadurch eine Anreicherung der Erkennungsstrukturen (Haptene) in Analogie zu den natürlichen raft-Domänen auf der Zelloberfläche.rnDazu wurden zunächst verschiedene Membranankersysteme mit unterschiedlichem Fluorierungsgrad entwickelt. Beispielsweise konnte ausgehend von einem zentralen Glycerin-fragment ein Membrananker mit zwei Perfluoralkylketten hergestellt werden. Letztere wurden mittels radikalischer Perfluoralkylierung eingeführt, wobei der Fluorgehalt der Verbindung über die Kettenlänge gesteuert wurde. Daneben konnte ein weiteres Ankersystem, basierend auf der Aminosäure Lysin, synthetisiert werden, dass einen bequemen Einbau der Perfluoralkylketten durch Peptidkupplungen von entsprechenden perfluorierten Aminen bzw. perfluorierten Carbonsäuren erlaubte. In diesem Fall wurde der Fluorgehalt durch die Einführung von Alkyl- bzw. Perfluoralkylketten verändert.rnBeide Systeme konnten für erste Untersuchungen ihres Phasenverhaltens mit polaren Kopf-gruppen ausgestattet werden, wobei neben einem hydrophilen, nicht-immunogenen Triethylenglycolspacer vor allem ein TN-Antigen tragendes Dipeptid zum Einsatz kam. In Gegenwart des Matrixlipids DODAMA konnten in Langmuir-Blodgett-Untersuchungen mit diesen Verbindungen eine Entmischung und die Ausbildung mikroseparierter Bereiche nachgewiesen werden. Auch war es möglich, durch Anbindung eines Fluoreszenzfarbstoffes zu zeigen, dass solche amphiphilen Membrananker auf perfluorierten Oberflächen effektiv und dauerhaft immobilisiert werden können. Damit eröffnet diese Verbindungsklasse interessante Anwendungsmöglichkeiten in der Entwicklung von diagnostischen Microarray-Formaten.rnUm eine Anbindung der fluorierten Membrananker an den N-Terminus eines an fester Phase aufgebauten mucinanalogen Glycopeptids als antigene Einheit zu ermöglichen, wurde ein entsprechendes Ankersystem auf Basis von Glutaminsäure entwickelt. Dabei wurden an diese Verbindung neben dem TN-Antigen noch weitere komplexe tumorassoziierte Kohlenhydrat-antigene des Mucintyps angebunden, wobei der Aufbau der resultierenden amphiphilen Glycolipopeptide vollständig an der festen Phase gelang. Insgesamt konnten so mithilfe des teilfluorierten Lysinankers und des zweifach perfluorierten Glutaminsäureankers erste amphiphile Glycopeptid-Konjugate hergestellt werden, deren antigene Kopfgruppe aus einer 20 Aminosäuren umfassenden Wiederholungseinheit des Mucins MUC1 mit TN-, T- bzw. STN-Antigen-Seitenkette besteht. Derartige Verbindungen stellen reizvolle Bausteine für die Tumordiagnostik und für die Entwicklung von stabilen liposomalen Tumorvakzinen dar, da die verwendeten Perfluoralkylanker die Antigenpräsentation nicht wesentlich beeinflussen und die Bindung des Antikörpers nicht behindern. rn

Synthese von MUC1-Glycopeptid-Konjugaten mit fluorierten Analoga des Thomsen-Friedenreich-Antigens

Krebserkrankungen gehen oft mit der Überexpression von mucinartigen Glycoproteinen auf der Zelloberfläche einher. In vielen Krebserkrankungen wird aufgrund der fehlerhaften Expression verschiedener Glycosyltransferasen das transmembranständige Glycoprotein MUC1, mit verkürzten Glycanstrukturen, überexprimiert. Das Auftreten der verschiedenen tumor-assoziierten Antigene (TACA) korreliert meist mit dem Fortschreiten des Krebs und der Metastasierung. Daher stellen TACAs interessante Zielmoleküle für die Entwicklung einer aktiven Tumorimmuntherapie zur spezifischen Behandlung von Adenokarzinomen dar. In dieser Arbeit galt das Interesse dem epithelialen Mucin MUC1, auf Basis dessen ein synthetischer Zugang zu einheitlichen Antitumorvakzinen, welche aus mucinanalogen Glyco-peptid¬konjugaten des MUC1 und Carrierproteinen bestehen, hergestellt werden sollten.rnUm eine tumorspezifische Immunantwort zu erhalten, müssen die selbst schwach immunogenen MUC1-Antigene über einen nicht-immunogenen Spacer mit einem geeigneten Trägerprotein, wie Tetanus Toxoid oder Rinderserumalbumin (BSA), verbunden werden. rnDa ein Einsatz von Glycokonjugaten in Impfstoffen durch die metabolische Labilität der O-glycosidischen Bindungen eingeschränkt ist, wurden hierzu erstmals fluorierte Vetreter von MUC1-analogen Glycopeptiden verwendet, in denen das Kohlenhydrat-Epitop durch den strategischen Einbau von Fluor¬atomen gegenüber einem raschen Abbau durch Glycosidasen geschützt werden soll. Dazu wurden auf Basis des literaturbekannten Thomsen-Friedenreich-Antigens Synthesestrategien zur Herstellung eines 2’F- und eines 2’,6’-bisfluorierten-Analogons erarbeitet. rnSchlüsselschritte in der Synthese stellten neben der elektrophilen Fluorierung eines Galactalvorläufers auch die -selektive 3-Galactosylierung des TN-Antigen-Bausteins zum 2’F- und 2’,6’-bisfluorierten-Analogons des TF-Disaccharids dar. Durch entsprechende Schutzgruppentransformationen wurden die beiden Derivate in entsprechende Glycosyl¬amino-säure-Bausteine für die Festphasensynthese überführt.rnNeben den beiden Analoga des TF-Antigens wurde auch erstmals ein 2F-Analogon des 2,6-Sialyl-T-Antigens hergestellt. Dazu wurde der entsprechende 2’F-TF-Baustein mit Sialinsäure-xanthogenat nach bereits bekannten Syntheseprotokollen umgesetzt. Aufgrund von Substanzmangel konnte die Verbindung nicht zur Synthese eines MUC1-Glycopeptid-Analogons herangezogen werden.rnDer Einbau der hergestellten Glycosylaminosäure-Bausteine erfolgte in die aus 20 Amino-säuren bestehende vollständige Wiederholungseinheit aus der tandem repeat-Sequenz des MUC1, wobei die entsprechenden Glycanseitenketten stets in Position 6 eingeführt wurden. Um die erhaltenen Glycopeptide für immunologische Studien an Carrier-Proteine anbinden zu können und so ggf. zu funktionsfähigen Impfstoff-Konjugaten zu gelangen, wurden diese stets N-terminal mit einem nicht-immunogenen Triethylenglycol-Spacer verknüpft. Die anschließende Funktionalisierung mit Quadratsäurediethylester erlaubte die spätere chemoselektive Konjugation an Trägerproteine, wie Tetanus Toxoid oder BSA.rnIn ersten immunologischen Bindungsstudien wurden die synthetisierten BSA-Glycopeptid-Konjugate mit Serum-Antikörpern aus Vakzinierungsstudien von MUC1-Tetanus Toxoid-Konjugaten, die (i) eine natürliche TF-Antigenstruktur und (ii) ein entsprechendes TF-Antigenderivat mit Fluorsubstituenten an C-6 des Galactosamin-Bausteins und C-6’ des Galactoserests tragen, untersucht.rn

Die Synthese von Mucin-Glycopeptid-Vakzinkonjugaten und Adjuvanzien für eine potentielle Krebsimmuntherapie

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von unterschiedlichen tumorassoziierten Antigenen, die in Form von glycosylierten Aminosäurebausteinen durch Festphasensynthese in den tandem repeat des epithelialen Mucin MUC1 eingebaut wurden. Zur Erzeugung von selektiven Immunantworten wurden synthetische MUC1-Glycopeptide über einen nicht immunogenen Spacer mit einer Reihe von Immunstimulanzien umgesetzt. Es wurden hierbei zwei Ziele verfolgt. Zum einen sollten mit Hilfe von synthetischen MUC1-Glycopeptiden und Immunstimulanzien cytotoxische T-Zellen ausgebildet werden, die Tumorzellen mit überexprimiertem MUC1 am Wachstum hindern und sie in den programmierten Zelltod treiben. Zum anderen sollte mit Hilfe von TH2-Epitopen eine adaptive humorale B-Zell-vermittelte Immunantwort in Form von Antikörpern ausgelöst werden. Zur Ausbildung von cytotoxischen T-Zellen kamen Vakzinkonjugate zum Einsatz, die aus dem IL-1β(163 – 169), dem TLR2-Agonisten (Pam3Cys-Ser-Lys4) oder dem TLR4-Agonisten (spacergebundenes MPL A) bestehen und jeweils an MUC1-Glycopeptide konjugiert wurden. Darüber hinaus wurde eine neue moderne Syntheseroute für das MPL-A entwickelt, welches als Adjuvans in den verschiedenen Vakzinen, wie Cervarix®, Fendrix® und Stimuvax®, Verwendung findet und die Immunantwort der Vakzinkonstrukte nochmals verstärken sollte. Zur Induktion von Antikörpern kamen die OVA(323 – 339)-, die Tetanus-Toxoid- und die BSA-Konjugate zur Anwendung, an denen MUC1-Glycopeptide angeknüpft wurden.

Synthese C-glycosidischer und N-methylierter Glycosylaminosäuren für den Aufbau von Mimetika tumorassoziierter MUC1-Glycopeptidantigene unter Verwendung mikrostrukturierter Reaktoren

Zur Synthese hydrolysestabiler MUC1-Antitumorvakzine wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Verfahren zur effizienten N Methylierung von Fmoc-Aminosäuren entwickelt. Die Synthese erfolgte in einer zweistufigen Umsetzung über Oxazolidinone unter Verwendung eines Tube-in-Tube-Durchflussreaktors mit einer semipermeablen Membran aus Teflon® AF 2400. In diesem Tube-in-Tube-Reaktor wurde in der ersten Stufe das Modellsubstrat Fmoc-Alanin bereits nach 2 h annähernd quantitativ in das entsprechende Oxazolidinon umgesetzt. In der zweiten Stufe wurde mit TFA erstmals eine Flüssigkeit durch eine solche Membran des Tube-in-Tube-Reaktors eingeleitet und lieferte innerhalb einer Stunde zahlreiche aliphatische, aromatische und funktionalisierte N-Methylaminosäuren in hohen Ausbeuten.rnDes Weiteren wurden erstmals sensible Glycosylaminosäuren, darunter auch TN Antigen-Strukturen, N-methyliert. Sie dienen als Bausteine für die Synthese von MUC1-Antitumorvakzinen. Neben Fmoc-N-Methyl-TN-Threonin konnten die Fmoc-geschützten N-Methyl-TN-Serin, N-Methyl-Sialyl-TN-Threonin sowie zwei N-Methyl-C Glycosylaminosäuren und in guten Ausbeuten erhalten werden. Anschließend wurde das N methylierte TN-Threonin gezielt in die tandem repeat-Sequenz des MUC1 in einer Festphasenpeptidsynthese eingebaut. Um einen direkten Vergleich bezüglich der N Methylierung im MUC1-Glycopeptide und dem darauf folgenden Einfluss auf die Tumorselektivität der resultierenden Vakzine erhalten zu können, wurde zudem ein Referenzpeptid aufgebaut. Zur Vollendung der Vakzinsynthese erfolgte die Konjugation beider Glycopeptidantigene an die jeweiligen BSA- und TTox-Proteine. rnEin alternativer Zugang zu hydrolysestabilen Glycopeptidbausteinen wurde im letzten Teil der Arbeit über die Synthese von α C Glycosylaminosäuren erarbeitet. Der entwickelte Syntheseweg basiert auf einer Ugi-Vier-Komponenten-Reaktion aus Aldehyd, Amin, Nitril und Carbonsäure. Als benötigte Aldehydkomponenten wurden ein einfaches Galactose- sowie ein Galactosamin-Derivat verwendet. Zum Aufbau des C-glycosidischen Grundgerüsts wurde eine Mikrowellen-unterstützte C-Allylierungsvariante im Durchfluss realisiert. Die Galactose- und Galactosaminaldehyde wurden danach mit chirale Glycosylaminen umgesetzt.

High level of aspartic acid-bond isomerization during the synthesis of an N-linked tau glycopeptide

An increased degree of utilization of the potential N-glycosylation site In the fourth repeat unit of the human tau protein may be involved in the inability of tau to bind to the corresponding tubulin sequence(s) and in the subsequent development of the paired helical filaments of Alzheimer's disease. To model these processes, we synthesized the octadecapeptide spanning this region without sugar, and with the addition of an N-acetyl-glucosamine moiety. The carbohydrate-protected, glycosylated asparagine was incorporated as a building block during conventional Fmoc-solid phase peptide synthesis. While the crude non-glycosylated analog was obtained as a single peptide, two peptides with, the identical, expected masses, in approximately equal amounts, were detected after the cleavage of the peracetylated glycopeptide. Surprisingly, the two glycopeptides switched positions on the reversed-phase high performance liquid chromatogram after removal of the sugar-protecting acetyl groups. Nuclear magnetic resonance spectroscopy and peptide sequencing identified the more hydrophobic deprotected peak as the target peptide, and the more hydrophilic deprotected peak as a peptide analog in which the aspartic acid-bond just preceding the glycosylated asparagine residue was isomerized resulting in the formation of a beta-peptide. The anomalous chromatographic behavior of the acetylated beta-isomer could be explained on the basis of the generation of an extended hydrophobic surface which is not present in any of the other three glycopeptide variants. Repetition of the syntheses, with altered conditions and reagents, revealed reproducibly high levels of aspartic acid-bond isomerization of the glycopeptide as well as lack of isomerization for the non-glycosylated parent analog. If similar increased aspartic acid-bond isomerization occurs in vivo, a protein modification well known to take place for both the amyloid deposits and the neurofibrillary tangles in Alzheimer's disease, this process may explain the aggregation of glycosylated tau into the paired helical filaments in the affected brains. Copyright (C) 1999 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.

Synthese des Dioxabicyclooctanfragmentes der Sorangicine und Studien zur Konstruktion des E,Z,Z-Triensystems

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2011

Studien zur Synthese des 2,3,4,6-tetrasubstituierten Tetrahydropyran-Fragments von Sorangicin A

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2013

Der Tropfen als Reaktor : emulsionsgestützte Fällung von Nanopartikeln am Beispiel der Synthese von Zinkoxid

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2014

Einfluss von Kontrastmittel auf die Aldosteron-Synthese und Nierenfunktion unter medikamentöser Therapie

Magdeburg, Univ., Med. Fak., Diss., 2015

Development of glycopeptide-intermediate resistance by Staphylococcus aureus leads to attenuated infectivity in a rat model of endocarditis.

Glycopeptide-intermediate resistant Staphylococcus aureus (GISA) are characterized by multiple changes in the cell wall and an altered expression of global virulence regulators. We investigated whether GISA are affected in their infectivity in a rat model of experimental endocarditis. The glycopeptide-susceptible, methicillin-resistant S. aureus M1V2 and its laboratory-derived GISA M1V16 were examined for their ability to (i) adhere to fibrinogen and fibronectin in vitro, (ii) persist in the bloodstream after intravenous inoculation, (iii) colonize aortic vegetations in rats, and (iv) compete for valve colonization by co-inoculation. Both GISA M1V16 and M1V2 adhered similarly to fibrinogen and fibronectin in vitro. In rats, GISA M1V16 was cleared faster from the blood (P < 0.05) and required 100-times more bacteria than parent M1V2 (10(6) versus 10(4)CFU) to infect 90% of vegetations. GISA M1V16 also had 100 to 1000-times lower bacterial densities in vegetations. Moreover, after co-inoculation with GISA M1V16 and M1V2Rif, a rifampin-resistant variant of M1V2 to discriminate them in organ cultures, GISA M1V16 was out-competed by the glycopeptide-susceptible counterpart. Thus, in rats with experimental endocarditis, GISA showed an attenuated virulence, likely due to a faster clearance from the blood and a reduced fitness in cardiac vegetations. The GISA phenotype appeared globally detrimental to infectivity.

Molecular characterization of enterococci harboring genotype and phenotype incongruence related to glycopeptide resistance isolated in Brazilian hospitals

Three Enterococcus faecalis and one Enterococcus faecium strains were characterized by plasmid profile, pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) and determination of antimicrobial minimal inhibitory concentrations. VanA elements were characterized by Long PCR, overlapping PCR and DNA sequencing. Enterococcal strains showed resistance to vancomycin and harbored the vanA gene, and three these were teicoplanin susceptible while one showed intermediate resistance to teicoplanin. Two E. faecalis strains showed indistinguishable PFGE profile while the third was unrelated. E. faecalis strains showed a deletion in the right terminal region of the Tn1546-like element. The E. faecium strain showed an insertion element in the vanXY intergenic region. Mutations in VanA elements were not found. Rearrangements in the VanA element could be responsible for incongruities in genotype and phenotype in these strains.

A mouse peritonitis model for the study of glycopeptide efficacy in GISA infections

In recent years, the emergence of Staphylococcus aureus strains with reduced susceptibility to glycopeptides has raised considerable concern. We studied the efficacy of vancomycin and teicoplanin, as well as cloxacillin and cefotaxime, against the infection caused by four S. aureus strains with different glycopeptide and β-lactam susceptibilities (strains A, B, C, and D; MICs for vancomycin of 1, 2, 4, and 8 µg/ml respectively), using a modified model of mouse peritonitis. This optimized model appeared to be straightforward and reproducible, and was able to detect low differences in bacterial killing between antibiotics and also between different S. aureus strains. Bactericidal activities in peritoneal fluid for vancomycin, teicoplanin, cloxacillin, and cefotaxime decreased from -2.98, -2.36, -3.22, and -3.57 log10 cfu/ml, respectively, in infection by strain A (MICs for vancomycin and cloxacillin of 1 and 0.38 µg/ml, respectively) to -1.22, -0.65, -1.04, and +0.24 in peritonitis due to strain D (MICs for vancomycin and cloxacillin of 8 and 1,024 µg/ml). Our data confirm the superiority of β-lactams against methicillin-susceptible S. aureus and show that bactericidal activity of glycopeptides decreases significantly with slight increases in MICs; this finding suggests a reduced efficacy of glycopeptides in the treatment of serious glycopeptide-intermediate S. aureus infections

A mouse peritonitis model for the study of glycopeptide efficacy in GISA infections

In recent years, the emergence of Staphylococcus aureus strains with reduced susceptibility to glycopeptides has raised considerable concern. We studied the efficacy of vancomycin and teicoplanin, as well as cloxacillin and cefotaxime, against the infection caused by four S. aureus strains with different glycopeptide and β-lactam susceptibilities (strains A, B, C, and D; MICs for vancomycin of 1, 2, 4, and 8 µg/ml respectively), using a modified model of mouse peritonitis. This optimized model appeared to be straightforward and reproducible, and was able to detect low differences in bacterial killing between antibiotics and also between different S. aureus strains. Bactericidal activities in peritoneal fluid for vancomycin, teicoplanin, cloxacillin, and cefotaxime decreased from -2.98, -2.36, -3.22, and -3.57 log10 cfu/ml, respectively, in infection by strain A (MICs for vancomycin and cloxacillin of 1 and 0.38 µg/ml, respectively) to -1.22, -0.65, -1.04, and +0.24 in peritonitis due to strain D (MICs for vancomycin and cloxacillin of 8 and 1,024 µg/ml). Our data confirm the superiority of β-lactams against methicillin-susceptible S. aureus and show that bactericidal activity of glycopeptides decreases significantly with slight increases in MICs; this finding suggests a reduced efficacy of glycopeptides in the treatment of serious glycopeptide-intermediate S. aureus infections

Fosfomycin plus β-Lactams as Synergistic Bactericidal Combinations for Experimental Endocarditis Due to Methicillin-Resistant and Glycopeptide-Intermediate Staphylococcus aureus.

The urgent need of effective therapies for methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) infective endocarditis (IE) is a cause of concern. We aimed to ascertain the in vitro and in vivo activity of the older antibiotic fosfomycin combined with different beta-lactams against MRSA and glycopeptide-intermediate-resistant S. aureus (GISA) strains. Time-kill tests with 10 isolates showed that fosfomycin plus imipenem (FOF+IPM) was the most active evaluated combination. In an aortic valve IE model with two strains (MRSA-277H and GISA-ATCC 700788), the following intravenous regimens were compared: fosfomycin (2 g every 8 h [q8h]) plus imipenem (1 g q6h) or ceftriaxone (2 g q12h) (FOF+CRO) and vancomycin at a standard dose (VAN-SD) (1 g q12h) and a high dose (VAN-HD) (1 g q6h). Whereas a significant reduction of MRSA-227H load in the vegetations (veg) was observed with FOF+IPM compared with VAN-SD (0 [interquartile range [IQR], 0 to 1] versus 2 [IQR, 0 to 5.1] log CFU/g veg; P = 0.01), no statistical differences were found with VAN-HD. In addition, FOF+IPM sterilized more vegetations than VAN-SD (11/15 [73%] versus 5/16 [31%]; P = 0.02). The GISA-ATCC 700788 load in the vegetations was significantly lower after FOF+IPM or FOF+CRO treatment than with VAN-SD (2 [IQR, 0 to 2] and 0 [IQR, 0 to 2] versus 6.5 [IQR, 2 to 6.9] log CFU/g veg; P < 0.01). The number of sterilized vegetations after treatment with FOF+CRO was higher than after treatment with VAN-SD or VAN-HD (8/15 [53%] versus 4/20 [20%] or 4/20 [20%]; P = 0.03). To assess the effect of FOF+IPM on penicillin binding protein (PBP) synthesis, molecular studies were performed, with results showing that FOF+IPM treatment significantly decreased PBP1, PBP2 (but not PBP2a), and PBP3 synthesis. These results allow clinicians to consider the use of FOF+IPM or FOF+CRO to treat MRSA or GISA IE.