Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

Synthesis of (-)-dactylolide and 13-desmethylene-(-)-dactylolide and their effects on tubulin

An efficient new synthesis has been elaborated for non-natural (-)-dactylolide ((-)-2) and its 13-desmethylene analogue 4, employing a HWE-based macrocyclization approach with beta-keto-phosphonate/aldehyde 19 and the respective 13-desmethylene derivative as the key intermediates. Both (-)-2 and 4 as well as the corresponding C20 alcohols inhibit human cancer cell proliferation with IC(50) values in the sub-micromolar range and induce the polymerization of tubulin in vitro.

Total synthesis of (-)-zampanolide and structure-activity relationship studies on (-)-dactylolide derivatives

A new total synthesis of the marine macrolide (-)-zampanolide (1) and the structurally and stereochemically related non-natural levorotatory enantiomer of (+)-dactylolide (2), that is, ent-2, has been developed. The synthesis features a high-yielding, selective intramolecular Horner-Wadsworth-Emmons (HWE) reaction to close the 20-membered macrolactone ring of 1 and ent-2. The β-keto phosphonate/aldehyde precursor for the ring-closure reaction was obtained by esterification of a ω-diethylphosphono carboxylic acid fragment and a secondary alcohol fragment incorporating the THP ring that is embedded in the macrocyclic core structure of 1 and ent-2. THP ring formation was accomplished through a segment coupling Prins-type cyclization. Employing the same overall strategy, 13-desmethylene-ent-2 as well as the monocyclic desTHP derivatives of 1 and ent-2 were prepared. Synthetic 1 inhibited human cancer cell growth in vitro with nM IC(50) values, while ent-2, which lacks the diene-containing hemiaminal-linked side chain of 1, is 25- to 260-fold less active. 13-Desmethylene-ent-2 as well as the reduced versions of ent-2 and 13-desmethylene-ent-2 all showed similar cellular activity as ent-2 itself. The same activity level was attained by the monocyclic desTHP derivative of 1. Oxidation of the aldehyde functionality of ent-2 gave a carboxylic acid that was converted into the corresponding N-hexyl amide. The latter showed only μM antiproliferative activity, thus being several hundred-fold less potent than 1.

Gold Phosphonates as Transfer Agents in Palladium Catalyzed Hirao Reactions

Through a cross-coupling reaction, aryl phosphonates are produced in high yields when the corresponding aryl bromides are reacted with a gold phosphorylating agent in the presence of a palladium catalyst and an appropriate ligand. To the best of our knowledge, this transformation is the first example involving the transfer of a phosphonate functional group from a gold complex to palladium that has been reported. Throughout the investigation, three gold phosphorylating agents were screened for activity towards the phosphorylation of aryl bromides. Aryl bromides with electrondonating and electron-withdrawing groups were successfully employed in the crosscoupling reactions. All cross-coupling reactions were carried out in THF at room temperature (25ºC) or in a microwave reactor (CEM Discover) at 60ºC for 30 or 60 minutes. The effects of changing reaction parameters such as time, temperature, catalyst and free ligand loading have been investigated. All aryl bromide substrates tested in the cross-coupling reactions produced phosphorylated products.

Synthesis and incorporation into DNA of a chemically stable, functional abasic site analogue

[reaction: see text] The abasic site building block 7 for DNA synthesis, containing a methylenephosphinic acid group at C3', was prepared in six steps and was incorporated into DNA via a combination of H-phosphonate and phosphoramidite chemistry. Corresponding oligodeoxynucleotides were shown to be chemically stable under basic conditions and fully functional at the respective hemiacetal center

Antibody chemical reactivity: Beneficial and pathogenic roles

Antibodies (Abs) to autoantigens and foreign antigens (Ags) mediate, respectively, various pathogenic and beneficial effects. Abs express enzyme-like nucleophiles that react covalently with electrophiles. A subpopulation of nucleophilic Abs expresses proteolytic activity, which can inactivate the Ag permanently. This thesis shows how the nucleophilicity can be exploited to inhibit harmful Abs or potentially protect against a virus. ^ Inactivation of pathogenic Abs from Hemophilia A (HA) patients by means of nucleophile-electrophile pairing was studied. Deficient factor VIII (FVIII) in HA subjects impairs blood coagulation. FVIII replacement therapy fails in 20-30% of HA patients due to production of anti-FVIII Abs. FVIII analogs containing electrophilic phosphonate group (E-FVIII and E-C2) were hypothesized to inactivate the Abs by reacting specifically and covalently with nucleophilic sites. Anti-FVIII IgGs from HA patients formed immune complexes with E-FVIII and E-C2 that remained irreversibly associated under conditions that disrupt noncovalent Ab-Ag complexes. The reaction induced irreversible loss of Ab anti-coagulant activity. E-FVIII alone displayed limited interference with coagulation. E-FVIII is a prototype reagent suitable for further development as a selective inactivator of pathogenic anti-FVIII Abs. ^ The beneficial function of Abs to human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) was analyzed. HIV-1 eludes the immune system by rapidly changing its coat protein structure. IgAs from noninfected subjects hydrolyzed gp120 and neutralized HIV-1 with modest potency by recognizing the gp120 421-433 epitope, a conserved B cell superantigenic region that is also essential for HIV-1 attachment to host cell CD4 receptors. An adaptive immune response to superantigens is generally prohibited due to their ability to downregulate B cells. IgAs from subjects with prolonged HIV-1 infection displayed improved catalytic hydrolysis of gp120 and exceptionally potent and broad neutralization of diverse CCR5-dependent primary HIV isolates attributable to recognition of the 421-433 epitope. This indicates that slow immunological bypass of the superantigenic character of gp120 is possible, opening the path to effective HIV vaccination. ^ My research reveals a novel route to inactivate pathogenic nucleophilic Abs using electrophilic antigens. Conversely, naturally occurring nucleophilic Abs may help impede HIV infection, and the Abs could be developed for passive immunotherapy of HIV infected subjects. ^

Phage display of a catalytic antibody to optimize affinity for transition-state analog binding

Catalytic antibodies have shown great promise for catalyzing a tremendously diverse set of natural and unnatural chemical transformations. However, few catalytic antibodies have efficiencies that approach those of natural enzymes. In principle, random mutagenesis procedures such as phage display could be used to improve the catalytic activities of existing antibodies; however, these studies have been hampered by difficulties in the recombinant expression of antibodies. Here, we have grafted the antigen binding loops from a murine-derived catalytic antibody, 17E8, onto a human antibody framework in an effort to overcome difficulties associated with recombinant expression and phage display of this antibody. “Humanized” 17E8 retained similar catalytic and hapten binding properties as the murine antibody while levels of functional Fab displayed on phage were 200-fold higher than for a murine variable region/human constant region chimeric Fab. This construct was used to prepare combinatorial libraries. Affinity panning of these resulted in the selection of variants with 2- to 8-fold improvements in binding affinity for a phosphonate transition-state analog. Surprisingly, none of the affinity-matured variants was more catalytically active than the parent antibody and some were significantly less active. By contrast, a weaker binding variant was identified with 2-fold greater catalytic activity and incorporation of a single substitution (Tyr-100aH → Asn) from this variant into the parent antibody led to a 5-fold increase in catalytic efficiency. Thus, phage display methods can be readily used to optimize binding of catalytic antibodies to transition-state analogs, and when used in conjunction with limited screening for catalysis can identify variants with higher catalytic efficiencies.

N-Methyl-d-aspartate antagonists and apoptotic cell death triggered by head trauma in developing rat brain

Morbidity and mortality from head trauma is highest among children. No animal model mimicking traumatic brain injury in children has yet been established, and the mechanisms of neuronal degeneration after traumatic injury to the developing brain are not understood. In infant rats subjected to percussion head trauma, two types of brain damage could be characterized. The first type or primary damage evolved within 4 hr and occurred by an excitotoxic mechanism. The second type or secondary damage evolved within 6–24 hr and occurred by an apoptotic mechanism. Primary damage remained localized to the parietal cortex at the site of impact. Secondary damage affected distant sites such as the cingulate/retrosplenial cortex, subiculum, frontal cortex, thalamus and striatum. Secondary apoptotic damage was more severe than primary excitotoxic damage. Morphometric analysis demonstrated that the N-methyl-d-aspartate receptor antagonists 3-(2-carboxypiperazin-4-yl)-propyl-1-phosphonate and dizocilpine protected against primary excitotoxic damage but increased severity of secondary apoptotic damage. 2-Sulfo-α-phenyl-N-tert-butyl-nitrone, a free radical scavenger, did not affect primary excitotoxic damage but mitigated apoptotic damage. These observations demonstrate that apoptosis and not excitotoxicity determine neuropathologic outcome after traumatic injury to the developing brain. Whereas free radical scavengers may prove useful in therapy of head trauma in children, N-methyl-d-aspartate antagonists should be avoided because of their propensity to increase severity of apoptotic damage.

Traumatic brain damage prevented by the non-N-methyl-D-aspartate antagonist 2,3-dihydroxy-6-nitro-7-sulfamoylbenzo[f] quinoxaline.

The mechanisms of neuronal degeneration following traumatic head injury are not well understood and no adequate treatment is currently available for the prevention of traumatic brain damage in humans. Traumatic head injury leads to primary (at impact) and secondary (distant) damage to the brain. Mechanical percussion of the rat cortex mimics primary damage seen after traumatic head injury in humans; no animal model mimicking the secondary damage following traumatic head injury has yet been established. Rats subjected to percussion trauma of the cortex showed primary damage in the cortex and secondary damage in the hippocampus. Morphometric analysis demonstrated that both cortical and hippocampal damage was mitigated by pretreatment with either the N-methyl-D-aspartate (NMDA) antagonist 3-((+/-)- 2-carboxypiperazin-4-yl)-propyl-1-phosphonate (CPP) or the non-NMDA antagonist 2,3-dihydroxy-6-nitro-7-sulfamoyl-benzo[f]quinoxaline (NBQX). Neither treatment prevented primary damage in the cortex when therapy was started after trauma. Surprisingly, delayed treatment of rats with NBQX, but not with CPP, beginning between 1 and 7 hr after trauma prevented hippocampal damage. No protection was seen when therapy with NBQX was started 10 hr after trauma. These data indicate that both NMDA- and non-NMDA-dependent mechanisms contribute to the development of primary damage in the cortex, whereas non-NMDA mechanisms are involved in the evolution of secondary damage in the hippocampus in rats subjected to traumatic head injury. The wide therapeutic time-window documented for NBQX suggests that antagonism at non-NMDA receptors may offer a novel therapeutic approach for preventing deterioration of the brain after head injury.

Crystal structure of the complex of a catalytic antibody Fab fragment with a transition state analog: structural similarities in esterase-like catalytic antibodies.

The x-ray structure of the complex of a catalytic antibody Fab fragment with a phosphonate transition-state analog has been determined. The antibody (CNJ206) catalyzes the hydrolysis of p-nitrophenyl esters with significant rate enhancement and substrate specificity. Comparison of this structure with that of the uncomplexed Fab fragment suggests hapten-induced conformational changes: the shape of the combining site changes from a shallow groove in the uncomplexed Fab to a deep pocket where the hapten is buried. Three hydrogen-bond donors appear to stabilize the charged phosphonate group of the hapten: two NH groups of the heavy (H) chain complementarity-determining region 3 (H3 CDR) polypeptide chain and the side-chain of histidine-H35 in the H chain (His-H35) in the H1 CDR. The combining site shows striking structural similarities to that of antibody 17E8, which also has esterase activity. Both catalytic antibody ("abzyme") structures suggest that oxyanion stabilization plays a significant role in their rate acceleration. Additional catalytic groups that improve efficiency are not necessarily induced by the eliciting hapten; these groups may occur because of the variability in the combining sites of different monoclonal antibodies that bind to the same hapten.

Inhibitory effect of 9-(2-phosphonylmethoxyethyl)adenine on visna virus infection in lambs: a model for in vivo testing of candidate anti-human immunodeficiency virus drugs.

The acyclic nucleoside phosphonate analog 9-(2-phosphonylmethoxyethyl)adenine (PMEA) was recently found to be effective as an inhibitor of visna virus replication and cytopathic effect in sheep choroid plexus cultures. To study whether PMEA also affects visna virus infection in sheep, two groups of four lambs each were inoculated intracerebrally with 10(6.3) TCID50 of visna virus strain KV1772 and treated subcutaneously three times a week with PMEA at 10 and 25 mg/kg, respectively. The treatment was begun on the day of virus inoculation and continued for 6 weeks. A group of four lambs were infected in the same way but were not treated. The lambs were bled weekly or biweekly and the leukocytes were tested for virus. At 7 weeks after infection, the animals were sacrificed, and cerebrospinal fluid (CSF) and samples of tissue from various areas of the brain and from lungs, spleen, and lymph nodes were collected for isolation of virus and for histopathologic examination. The PMEA treatment had a striking effect on visna virus infection, which was similar for both doses of the drug. Thus, the frequency of virus isolations was much lower in PMEA-treated than in untreated lambs. The difference was particularly pronounced in the blood, CSF, and brain tissue. Furthermore, CSF cell counts were much lower and inflammatory lesions in the brain were much less severe in the treated lambs than in the untreated controls. The results indicate that PMEA inhibits the propagation and spread of visna virus in infected lambs and prevents brain lesions, at least during early infection. The drug caused no noticeable side effects during the 6 weeks of treatment.

Prodrugs of antiviral phosphonates

Phosphonoformate and phosphonoacetate are effective antiviral agents, however they are charged at physiological pH and as such penetration into cells and diffusion across the blood-brain bamer is limited. In an attempt to increase the lipophilicity and improve the transport properties of these molecules, prodrugs were synthesised and their stabilities and reconversion to the parent compound subsequently investigated by the techniques of 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy and high performance liquid Chromatography. A series of 4-substituted dibenzyl (methoxycarbonyl)phosphonates were prepared and found to be hydrolytically unstable giving predominantly the diesters, benzyl (methoxycarbonyl)phosphonates. This instability arose from the electron-withdrawing effect of the carbonyl group promoting nucleophilic attack at phosphorus. It was possible to influence the mechanism and, to some extent, the rate of hydrolysis of the phosphonoformate triesters to the diesters by varying the electronic nature of the substituent in the 4-position of the aromatic ring. Strongly electron-withdrawing groups increased the sensitivity of phosphorus to nucleophilic attack, thus promoting P-O .bond cleavage and rapid hydrolysis. Conversely, weakly electron-withdrawing substituents encouraged C-O bond fission, presumably through resonance stabilisation of the benzyl carbonium ion. The loss of the protecting group on phosphorus was in competition with nucleophilic attack at the carbonyl group, resulting in P-C bond cleavage with dibenzyl phosphite formation. The high instability and P-C bond fission make triesters unsuitable prodrug forms of phosphonoformate. A range of chemically stable triesters of phosphonoacetate were synthesised and their bioactivation investigated. Di(benzoyloxymethyl) (methoxycarbonylmethyl)phosphonates degraded to the relevant benzoyloxymethyl (methoxycarbonylmethyl)phosphonate in the presence of esterase. The enzymatic activation was restricted to the removal of only one protecting group from phosphorus, most likely due to the close proximity of the benzoyloxy ester function to the anionic charge on the diester. However, in similar systems di(4-alkanoyloxybenzyl) (methoxycarbonylmethyl)phosphonates degraded in the presence of esterase with the loss of both protecting groups on phosphorus to give the monoester, (methoxycarbonylmethyl)phosphonate, via the intermediary of the unstable 4-hydroxy benzyl esters. The methoxycarbonyl function remained intact. The rate of enzymatic hydrolysis and subsequent removal of the protecting groups on phosphorus was dependent on the nature of the alkanoyl group and was most rapid for the 4-nbutanoyloxybenzyl and 4-iso-butanoyloxybenzyl esters of phosphonoacetate. This provides a strategy for the design of a prodrug with sufficient stability in plasma to reach the central nervous system in high concentration, wherein rapid metabolism to the active drug by brain-associated enzymes occurs.

Intervertebral disc

The invention relates to the use of an aqueous gel in the repair of or prevention of damage to soft tissue, the gel comprising an aqueous gel obtainable by polymerizing one or more olefinically unsaturated monomers comprising one or more phosphate, phosphonate, borate, sulphate and/or sulphonate groups. This is preferably used for intervertebral discs or a lens of an eye. Kits and syringes containing the components are also provided.