Doktorarbeit
Surface Modification of Spherical Particles with Bioactive Glycopolymers
André Pfaff (05/2011-07/2011)
Betreuer: Axel H. E. Müller
Kurzfassung
Glykopolymere unterschiedlicher Zuckerarten wurden auf verschieden sphärische Template aufgepfropft, wobei der Aufbau der Glykopolymerketten mittels kontrolliert radikalischen Polymerisationstechniken bewerkstelligt wurde, namentlich ATRP und RAFT. Eine Reihe von zucker-modifizierten Nano- und Mikrokugeln und deren Wechselwirkungen mit Lektinen wird hier vorgestellt. Glucose- oder Acetylglucosamin-modifizierte Nanokugeln wurden durch die Kombination von Emulsionspolymerisation und photoinduzierter konventioneller Poly-merisation oder ATRP hergestellt. Diese Partikel waren in der Lage Goldnanopartikel in Lösung zu stabilisieren, was zu katalytisch aktiven Hybridpartikeln führte, welche im Stande waren p-Nitrophenol in Gegenwart von NaBH4 zu reduzieren. Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Polymeren mit Acetylglucosaminresten und einer Reihe von Lektinen offenbarten eine selektive Anbindung an das Lektin Weizenkeim-Agglutinin (WGA), wobei sich herausstellte, dass die Bindungsaffinität des Proteins zu den Polymerbürsten weit höher ist als zu einzelnen Acetylglucosamin-Molekülen. Lektin-Fällungsexperimente offenbarten, dass 1 mg Glykopolymerbürsten in der Lage sind 0,5 mg des Lektins WGA zu fällen. Die Oberfläche von Poly(divinylbenzol)-Mikrokugeln (PDVB) konnte mit zwei unterschiedlichen Glykomonomeren mittels verschiedener Pfropftechniken modifiziert werden. Die Grafting through Methode wurde angewandt um ein Mannose-beinhaltendes Glykomonomer aufzupropfen um Kern-Schale Partikel mit hoher Pfropfdichte zu erhalten. Hierbei zeigten die aufgepfropften Glykopolymerketten keine Bindungsaffinität zu einer Reihe von Lektinen auf. Die Verknüpfung der Zuckergruppe an das Polymerrückgrat verhindert in diesem Fall die Schlüssel-Schloss Wechselwirkung zwischen Zucker und Protein. Pfropfexperimente eines Galaktose-beinhaltenden Glykomonomeren führten zu Partikeln mit Pfropfdichten von 0.20 bis 0.35 Ketten pro nm2 in Abhängigkeit der verwendeten Pfropfmethode. Diese Partikel zeigen eine selektive Anbindung an das Lektin Ricinus communis Agglutinin (RCA120), wobei jede Glykopolymerkette 0.7 RCA120 Moleküle binden konnte. Im Vergleich zu Partikeln welche mit einzelnen Galaktosemolekülen versehen sind, zeigten Glykopolymer-gepfropfte Partikel eine überlegene Bindungsaffinität zu RCA120. Die Herstellung von Kern-Schale Partikeln bestehend aus PDVB-mikrosphärischen Kernen und einer Schale aus hochverzweigten Glykopolymeren konnte mittels selbst-kondensierender Vinyl-Copolymerisation einens Initiator-Monomers und Acetylglucosamin-enthaltenden Glykomonomers erzielt werden. Eine Erhöhung des Anteils des eingebauten Inimers führt zu kompakteren und stärker verzweigten Strukturen, was eine höhere Bedeckung der Partikel begünstigt (1.6 2.4 wt.-%). Zucker-Lektin-Bindungsstudien offenbarten, dass ein Einbau von ungefähr 50% des hydrophoben Inimers zu einer Erhöhung der Proteinadsorption von 26% im Vergleich zu einem schwächer verzweigten Glykopolymer und 16% zu Partikeln welche mit linearen Glykopolymeren gepfropft wurden führt. Diese Ergebnisse deuten an, dass die dreidimensionale Glykopolymer-Architektur direkte Auswirkung auf die Schlüssel-Schloss-Wechselwirkung von Zucker und Zucker-bindendem Protein hat. Die Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Glykopolymeren und Lektinen wurden auf die Aufnahme von fluoreszierenden, magnetischen Galaktose-beinhaltenden Kern-Schale-Nanokugeln in Zellen ausgeweitet. Diese Partikel wurden durch die Aufpfropfung von Galaktose-beinhaltenden Glykopolymeren auf mit Silica verkapselten Eisenoxid-Partikeln mittels Thiol-En-Chemie erhalten. Aufgrund der zuckerhaltigen Schale konnten diese Partikel nicht nur im Zytoplasma sondern auch im Zellkern von menschlichen Lungenkrebs-Zellen lokalisiert werden. Da diese Zelllinie ein Galakose-bindendes Protein exprimiert, kann darauf geschlossen werden, dass Zucker-Lektin Wechselwirkungen für die Aufnahme der funktionalisierten Partikel verantwortlich sind. Diese Studien deuten das hohe Potential an Zucker-Lektin Wechselwirkungen für mögliche Anwendung wie die Lektinfällung oder die Darstellung von Zellen zu nutzen.