Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-1515
Authors: Dingels, Carsten
Title: Expanding the scope of poly(ethylene glycol)s for bioconjugation to squaric acid-mediated PEGylation and pH-sensitivity
Online publication date: 3-Feb-2015
Year of first publication: 2015
Abstract: Poly(ethylene glycol) (PEG) is used in a broad range of applications due to its unique combination of properties and is approved use in formulations for body-care products, edibles and medicine. This thesis aims at the synthesis and characterization of novel heterofunctional PEG structures and the establishment of diethyl squarate as a suitable linker for the covalent attachment to proteins. Chapter 1 is an introduction on the properties and applications of PEG as well as the fascinating chemistry of squaric acid derivatives. In Chapter 1.1, the synthesis and properties of PEG are described, and the versatile applications of PEG derivatives in everyday products are emphasized with a focus on PEG-based pharmaceuticals and nonionic surfactants. This chapter is written in German, as it was published in the German Journal Chemie in unserer Zeit. Chapter 1.2 deals with PEGs major drawbacks, its non-biodegradability, which impedes parenteral administration of PEG conjugates with polyethers exceeding the renal excretion limit, although these would improve blood circulation times and passive tumor targeting. This section gives a comprehensive overview of the cleavable groups that have been implemented in the polyether backbone to tackle this issue as well as the synthetic strategies employed to accomplish this task. Chapter 1.3 briefly summarizes the chemical properties of alkyl squarates and the advantages in protein conjugation chemistry that can be taken from its use as a coupling agent. In Chapter 2, the application of diethyl squarate as a coupling agent in the PEGylation of proteins is illustrated. Chapter 2.1 describes the straightforward synthesis and characterization of squaric acid ethyl ester amido PEGs with terminal hydroxyl functions or methoxy groups. The reactivity and selectivity of theses activated PEGs are explored in kinetic studies on the reactions with different lysine and other amino acid derivatives, followed by 1H NMR spectroscopy. Further, the efficient attachment of the novel PEGs to a model protein, i.e., bovine serum albumin (BSA), demonstrates the usefulness of the new linker for the PEGylation with heterofunctional PEGs. In Chapter 2.3 initial studies on the biocompatibility of polyether/BSA conjugates synthesized by the squaric acid mediated PEGylation are presented. No cytotoxic effects on human umbilical vein endothelial cells exposed to various concentrations of the conjugates were observed in a WST-1 assay. A cell adhesion molecule - enzyme immunosorbent assay did not reveal the expression of E-selectin or ICAM-1, cell adhesion molecules involved in inflammation processes. The focus of Chapter 3 lies on the syntheses of novel heterofunctional PEG structures which are suitable candidates for the squaric acid mediated PEGylation and exhibit superior features compared to established PEGs applied in bioconjugation. Chapter 3.1 describes the synthetic route to well-defined, linear heterobifunctional PEGs carrying a single acid-sensitive moiety either at the initiation site or at a tunable position in the polyether backbone. A universal concept for the implementation of acetal moieties into initiators for the anionic ring-opening polymerization (AROP) of epoxides is presented and proven to grant access to the degradable PEG structures aimed at. The hydrolysis of the heterofunctional PEG with the acetal moiety at the initiating site is followed by 1H NMR spectroscopy in deuterium oxide at different pH. In an exploratory study, the same polymer is attached to BSA via the squarate acid coupling and subsequently cleaved from the conjugate under acidic conditions. Furthermore, the concept for the generation of acetal-modified AROP initiators is demonstrated to be suitable for cholesterol, and the respective amphiphilic cholesteryl-PEG is cleaved at lowered pH. In Chapter 3.2, the straightforward synthesis of α-amino Ï 2-dihydroxyl star-shaped three-arm PEGs is described. To assure a symmetric length of the hydroxyl-terminated PEG arms, a novel AROP initiator is presented, who- primary and secondary hydroxyl groups are separated by an acetal moiety. Upon polymerization of ethylene oxide for these functionalities and subsequent cleavage of the acid-labile unit no difference in the degree of polymerization is seen for both polyether fragments.
Aufgrund der einzigartigen Kombination nützlicher Eigenschaften und der Zulassung für die Verarbeitung in Körperpflegeprodukten, Lebensmitteln und Medikamenten wird Poly(ethylenglykol) (PEG) in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung neuer hetero-funktioneller PEG-Strukturen und der Etablierung von Diethoxycyclobutendion (Quadratsäure-diethylester) als Kupplungsreagenz zur kovalenten Verknüpfung von PEG und PEG-Derivaten mit Proteinen.Kapitel 1 stellt eine Einleitung zu den Eigenschaften und Anwendungen von PEG sowie der faszinierenden Chemie der Quadradsäurederivate dar. Im Unterkapitel 1.1 werden die Synthese und die Eigenschaften von PEG vorgestellt, sowie dessen vielseitige Anwendung im alltäglichen Gebrauch. Insbesondere wird die Verwendung in der Medizin und Pharmazie sowie für nichtionische Tenside erörtert. Der Text dieses Unterkapitels ist in deutscher Sprache verfasst, da er als Artikel in der deutschsprachigen Zeitschrift Chemie in unserer Zeit veröffentlicht wurde. Das Unterkapitel 1.2 behandelt die größte Schwachstelle von PEG, seine Biopersistenz. Diese behindert den Einsatz parenteral verabreichter PEG-Konjugate mit Polyetherketten, deren hydrodynamische Volumina die Ausschlussgrenze der Nieren überschreiten. Solche Konjugate würden verlängerte Blutzirkulationszeiten und ein effektiveres passives Tumor-Targeting aufweisen. Das Unterkapitel gibt einen vollständigen Überblick über die verschiedenen spaltbaren Gruppen, die als Sollbruchstellen in PEG eingeführt wurden und lässt die Synthesestrategien zu deren Einbau in das Polymerrückgrat Revue passieren. Das Unterkapitel 1.3 fasst schließlich die chemischen Eigenschaften von Qaudratsäurealkylestern und die sich daraus resultierenden Vorzüge als Kupplungsreagenz für Proteinkonjugationen kurz zusammen.In Kapitel 2 wird die Verwendung von Qaudratsäuredieethylester als Kupplungsreagenz für die PEGylierung von Proteinen vorgestellt. Das Unterkapitel 2.1 beschreibt die direkte Synthese und Charakterisierung von Quadratsäureethylesteramido-PEGs mit terminalen Hydroxyl- oder Methoxygruppen. Die Reaktivität und Selektivität dieser aktivierten PEGs gegenüber unterschiedlichen Lysin- und weiteren Aminosäurederivaten wird anhand von mit Hilfe der 1H NMR Spektroskopie erstellten Kinetiken untersucht. Ferner demonstriert die effiziente Verknüpfung der neuen PEGs mit einem Modellprotein, bovines Serumalbumin (BSA), die Nützlichkeit des Diethoxycyclobutendion für die PEGylierung mit heterofunktionellen PEGs. Im Unterkapitel 2.3 werden erste Untersuchungen zur Biokompatibilität der durch die quadratsäurevermittelte PEGylierung hergestellten Polyether/BSA-Konjugate präsentiert. Bei der Exposition menschlicher Nabelschnur-endothelzellen gegenüber verschiedenen Konzentrationen der Konjugate konnten in einem WST-1-Assay keine zytotoxischen Effekte festgestellt werden. Eine Expression an Entzündungsprozessen beteiligten Zelladhäsions-moleküle E-Selektin und ICAM-1 konnte mittels Immunoassay nicht nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt von Kapitel 3 liegt auf der Synthese neuer heterofunktioneller PEG-Strukturen, die mögliche Kandidaten für die quadratsäurevermittelte PEGylierung darstellen und im Vergleich zu den gegenwärtig in der Biokonjugation etablierten PEGs vorteilhafte Merkmale aufweisen. Das Unterkapitel 3.1 beschreibt die Syntheseroute zu wohldefinierten, linearen hetero-bifunktionellen PEGs mit einer säurelabilen Gruppe, die sich entweder am Initiatorterminus oder an einer frei wählbaren Position innerhalb des Polyetherrückgrats befindet. Ein universelles Konzept zur Einführung eines Acetals in etablierte Initiatoren für die anionische Ringöffnungspolymerisation (AROP) wird vorgestellt und verwendet, um die angestrebten abbaubaren PEG-Strukturen darzustellen. Die Hydrolyse des heterofunktionellen PEGs mit initiatorseitigem Acetal wird mittels 1H NMR Spektroskopie in Deuteriumoxid bei verschiedenen pH-Werten verfolgt. Dieses Polymer wird ferner mittels der Quadratsäure-kupplung an BSA gebunden und anschließend unter sauren Bedingungen wieder von ihm abgespalten. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Konzept für die Einführung von Acetalen in AROP-Initiatoren auch zur Modifikation von Cholesterin herangezogen werden kann und das entsprechende amphiphile Cholersteryl-PEG bei erniedrigtem pH gespalten wird. Im Unter-kapitel 3.2 wird die direkte Synthese von dreiarmigen α-Amino-Ï 2-dihydroxyl-PEG-Sternpolymeren beschrieben. Um sicherzustellen, dass beide hydroxylterminierten PEG-Arme die gleiche Länge aufweisen, wird ein neuer AROP-Initiator eingesetzt, dessen primäre und sekundäre Hydroxylgruppe durch ein Vollacetal getrennt sind. Nach der Ethoxylierung dieser Funktionalitäten und der anschließenden Spaltung des Acetals konnte kein Unterschied im Polymerisationsgrad beider Polyetherfragmente festgestellt werden.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
FB 10 Biologie
FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1515
URN: urn:nbn:de:hebis:77-39304
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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