On the functional ordering of biomembranes : Implications for drug binding

Cells are packed with membrane structures, defining the inside and outside, and the different subcellular compartments. These membranes consisting mainly of phospholipids have a variety of functions in addition to providing a permeability barrier for various compounds. These functions involve cellular signaling, where lipids can act as second messengers, or direct regulation of membrane associating proteins. The first part of this study focuses on relating some of the physicochemical properties of membrane lipids to the association of drug compounds to membranes. A fluorescence based method is described allowing for determination of the membrane association of drugs. This method was subsequently applied to a novel drug, siramesine, previously shown to have anti-cancer activity. Siramesine was found to associate with anionic lipids. Especially interesting is its strong affinity for a second messenger lipid phosphatidic acid. This is the first example of a small molecule drug compound specifically interacting with a cellular lipid. Phosphatidic acid in cells is required for the activation of many signaling pathways mediating growth and proliferation. This provides an intriguing possibility for a simple molecular mechanism of the observed anti-cancer activity of siramesine. In the second part the thermal behavior and self assembly of charged and uncharged membrane assemblies was studied. Strong inter-lamellar co-operativity was observed for multilamellar DPPC vesicles using fluorescence techniques together with calorimetry. The commonly used membrane models, large unilamellar vesicles (LUV) and multilamellar vesicles (MLV) were found to possess different biophysical properties as interlamellar interactions of MLVs drive segregation of a pyrene labeled lipid analogue into clusters. The effect of a counter-ion lattice on the self assembly of a cationic gemini surfactant was studied. The presence of NaCl strongly influenced the thermal phase behavior of M-1 vesicles, causing formation of giant vesicles upon exceeding a phase transition temperature, followed by a subsequent transition into a more homogenous dispersion. Understanding the underlying biophysical aspects of cellular membranes is of fundamental importance as the complex picture of the structure and function of cells is evolving. Many of the cellular reactions take place on membranes and membranes are known to regulate the activity of many peripheral and intergral membrane associating proteins. From the point of view of drug design and gene technology, membranes can provide an interesting target for future development of drugs, but also a vehicle sensitive for environmental changes allowing for encapsulating drugs and targeting them to the desired site of action.

Syntheses and Self-Assembling Characteristics of Amphiphilic Star Diblock Copolymers

Uusien polymeeripohjaisten teknologioiden ja materiaalien myötä räätälöityjen polymeerien tarve on kasvanut. Viime vuosituhannen lopussa kehitetyt kontrolloidut polymerointimenetelmät ovat avanneet uusia mahdollisuuksia paitsi monimutkaisten polymeerien synteesiin, myös itsejärjestyvyyteen perustuvien funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Nämä voivat jäljitellä luonnossa esiintyviä rakenteita, joita muodostavat esimerkiksi lipidit ja proteiinit. Itsejärjestyvät molekyylit ovat usein amfifiilisiä eli ne koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista osista ja polymeereissä nämä osat voivat olla omina lohkoinaan, jolloin puhutaan amfifiilisistä lohko- tai blokkikopolymeereistä. Riippuen järjestyneiden rakenteiden koostumuksesta ja muodosta, amfifiilisiä blokkikopolymeerejä on tutkittu tai jo käytetty nanoteknologiassa, elastomeereissä, voiteluaineissa, pinta-aktiivisina aineina, lääkkeenannostelussa, maaleissa, sekä elektroniikka-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Tavallisimmin käytetyt amfifiiliset blokkikopolymeerit ovat olleet lineaarisia, mutta viime aikoina tutkimus on suuntautunut kohti monimutkaisempia rakenteita. Tällaisia ovat esimerkiksi tähtipolymeerit. Tähtimäisissä polymeereissä miselleille tyypillinen ydin-kuori-rakenne säilyy hyvin alhaisissakin polymeerikonsentraatioissa, koska polymeeriketjut ovat kiinni toisissaan yhdessä pisteessä. Siten ne ovat erityisen kiinnostavia tutkimuskohteita erilaisten hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden sitomiseksi ja vapauttamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu amfifiilisten tähtipolymeerien itsejärjestymistä vesiliuoksissa sekä kokeellisesti ja tietokonesimulaatioin. Työ koostuu kahdesta osasta: tähtipolymeerien synteesistä makrosyklisillä initiaattoreilla ja amfifiilisten tähtimäisten blokkikopolymeerien ominaisuuksien tutkimisesta.

Methods and tools for mass spectrometric lipidome analysis

The analysis of lipid compositions from biological samples has become increasingly important. Lipids have a role in cardiovascular disease, metabolic syndrome and diabetes. They also participate in cellular processes such as signalling, inflammatory response, aging and apoptosis. Also, the mechanisms of regulation of cell membrane lipid compositions are poorly understood, partially because a lack of good analytical methods. Mass spectrometry has opened up new possibilities for lipid analysis due to its high resolving power, sensitivity and the possibility to do structural identification by fragment analysis. The introduction of Electrospray ionization (ESI) and the advances in instrumentation revolutionized the analysis of lipid compositions. ESI is a soft ionization method, i.e. it avoids unwanted fragmentation the lipids. Mass spectrometric analysis of lipid compositions is complicated by incomplete separation of the signals, the differences in the instrument response of different lipids and the large amount of data generated by the measurements. These factors necessitate the use of computer software for the analysis of the data. The topic of the thesis is the development of methods for mass spectrometric analysis of lipids. The work includes both computational and experimental aspects of lipid analysis. The first article explores the practical aspects of quantitative mass spectrometric analysis of complex lipid samples and describes how the properties of phospholipids and their concentration affect the response of the mass spectrometer. The second article describes a new algorithm for computing the theoretical mass spectrometric peak distribution, given the elemental isotope composition and the molecular formula of a compound. The third article introduces programs aimed specifically for the analysis of complex lipid samples and discusses different computational methods for separating the overlapping mass spectrometric peaks of closely related lipids. The fourth article applies the methods developed by simultaneously measuring the progress curve of enzymatic hydrolysis for a large number of phospholipids, which are used to determine the substrate specificity of various A-type phospholipases. The data provides evidence that the substrate efflux from bilayer is the key determining factor for the rate of hydrolysis.

Desorptioilmanpainefotoionisaatio- ja desorptiosähkösumutusionisaatio-massaspektrometria lipidien analytiikassa

Lipidit ovat rasvaliukoisia kudoksesta peräisin olevia yhdisteitä, joilla on monia eri fysiologisia tehtäviä. Lipidien analyysimenetelmien kehittämien on tärkeää, sillä niiden esiintymistä elimistössä voidaan käyttää biomarkkerina sairauksien diagnostiikassa ja apuna sairauksien kehittymismekanismien tutkimisessa. Lipideihin kuuluu polaarisuudeltaan ja rakenteeltaan hyvin erilaisia yhdisteitä. Niiden massaspektrometria-analytiikassa on aikaisemmin käytetty useita erilaisia ionisaatiomenetelmiä, jotka vaativat näytteen esikäsittelyn ennen analyysia. Desorptiosähkösumutusionisaatio-massaspektrometria (DESI-MS) ja desorptio-ilmanpainefotoionisaatio-massaspektrometria (DAPPI-MS) ovat uusia ionisaatio-menetelmiä, jotka mahdollistavat yhdisteiden analysoinnin suoraan eri matriiseista, kuten kudosnäytteistä, usein ilman esikäsittelyä. DESI-MS soveltuu parhaiten suhteellisen polaaristen yhdisteiden analytiikkaan, kun taas DAPPI:lla voidaan ionisoida myös poolittomia yhdisteitä. DESI-MS:lla on jo aikaisemmin analysoitu erilaisia lipidejä, kun taas DAPPI-MS:lla on aikaisemmin analysoitu vain steroideja. DAPPI- ja DESI-MS:lla tutkittiin erilaisten lipidien (fosfolipidit, triglyseridit, rasvahapot, rasvaliukoiset vitamiinit ja steroidit) ionisoitumista. Molemmilla menetelmillä optimoitiin standardiyhdisteille mittausolosuhteet. Lipidejä analysoitiin myös suoraan farmaseuttisista valmisteista. DAPPI:n ja DESI:n soveltuvuudessa erilaisten lipidien ionisoimiseen oli jonkin verran eroja. DAPPI toimi hyvin varsinkin poolittomampien lipidien, eli triglyseridien, steroidien, vitamiinien ja rasvahappojen ionisaatiossa, mutta huonosti hieman polaarisempien ja herkästi hajoavien fosfolipidien ionisaatiossa. Fosfolipidit fragmentoituivat DAPPI-ionisaatiossa, eikä moolimassatiedon sisältävää ionia saatu näkyviin. DESI puolestaan toimii hyvin fosfolipidien ionisoimisessa ja melko hyvin myös muiden tutkittavien lipidien ionisoimisessa, lukuunottamatta kaikkein poolittomimpia lipidejä. Uutta tietoa tutkimuksessa saatiin varsinkin DAPPI:n soveltuvuudesta erilaisten lipidien analytiikkaan. Tulosten perusteella voidaan sanoa, että DAPPI toimii yhtä hyvin tai jopa DESI:a paremmin useiden eri lipidien analytiikkassa. Menetelmää tulisi kuitenkin kehittää edelleen, jotta fosfolipidien, jotka ovat elimistön tärkeä lipidiryhmä, analysointi onnistuisi DAPPI:lla. Työssä ei analysoitu lipidejä suoraan kudosnäytteestä, joten DAPPI:n soveltuvuudesta lipidien analysointiin suoraan kudosnäytteistä ei voida tehdä johtopäätöksiä tämän työn perusteella.