Membrane functionalisation using polyrotaxanes with amphiphilic cyclodextrins

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	8 May 2012
Referee:	Prof. Dr. Werner Kunz and Prof. Dr. Jürgen Rühe and Prof. Dr. Gerhard Wenz
Date of exam:	4 November 2011
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry)
Keywords:	amphiphilic cyclodextrins, phospholipid model membranes, membrane modification, polyrotaxanes, sliding tethered ligands, ligand-receptor interactions
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	23003

Abstract (English)

This work is aimed at the design and characterisation of a new family of tethered ligands, called sliding tethered ligands (STLs). They are based on topological complexes between polymers and amphiphilic cyclodextrins (CDs), which can be inserted into phospholipid membranes. At first we investigate the membrane insertion properties of amphiphilic cholesteryl CD derivatives, which are suitable ...

Abstract (English)

This work is aimed at the design and characterisation of a new family of tethered ligands, called sliding tethered ligands (STLs). They are based on topological complexes between polymers and amphiphilic cyclodextrins (CDs), which can be inserted into phospholipid membranes. At first we investigate the membrane insertion properties of amphiphilic cholesteryl CD derivatives, which are suitable membrane anchors for the STLs. With the help of neutron reflectivity it can be demonstrated that the CD residues show a remarkable conformational adaptability and that the CD cavities remain accessible upon insertion into lipid model membranes. We have developed a synthetic pathway to assemble the STLs from polyrotaxanes with a controlled low number of mono-modified azido-α-CDs, threaded on a polyethylene glycol (PEG) chain. Using newly developed in-situ capping methods the polyrotaxanes are endcapped with adamantane ligands, which can be recognized by a β-CD receptor. Furthermore a cholesteryl anchor is attached to the threaded CD in order to enable the STL to insert into membranes. We demonstrate that STLs readily insert into phospholipid (DPPC) model membranes using IR Absorption Reflection Spectroscopy and investigating the film morphology by Brewster Angle Microscopy and Atomic Force Microscopy. Applying neutron reflectivity it is shown, that for sufficiently high polymer densities the STLs form polymer brushes, which follow the scaling laws predicted by the mean field theory. Using the surface force apparatus it is evidenced that model membranes modified with STLs and cholesteryl β-CD receptors give rise to typical tethered ligand - receptor interaction profiles.

Translation of the abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung einer neuen Gruppe von Liganden, sog. “Sliding Tethered Ligands” (STLs). STLs basieren auf topologischen Komplexen zwischen Polymeren und amphiphilen Cyclodextrinen (CDs), die in Phospholipidmembranen eingebaut werden können. Zunächst werden amphiphile Cholesteryl-CDDerivate untersucht, insbesondere bezüglich ihrer Fähigkeit, sich in ...

Translation of the abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung einer neuen Gruppe von Liganden, sog. “Sliding Tethered Ligands” (STLs). STLs basieren auf topologischen Komplexen zwischen Polymeren und amphiphilen Cyclodextrinen (CDs), die in Phospholipidmembranen eingebaut werden können. Zunächst werden amphiphile Cholesteryl-CDDerivate untersucht, insbesondere bezüglich ihrer Fähigkeit, sich in Membranen einzulagern. Mit Hilfe von Neutronenstreuung kann gezeigt werden, dass deren CD-Reste eine bemerkenswerte konformative Flexibilität aufweisen. Darüberhinaus bleibt die CD Kavität zugänglich, was die Bildung von Einschlussverbindungen ermöglicht. Des Weiteren wird die Synthese der STLs beschrieben. Diese werden auf Basis von Polyrotaxanen hergestellt, welche aus Polyethylenglykol (PEG) und einer kontrollierter kleinen Anzahl komplexierter mono-azido-CDs bestehen. Unter Anwendung neu entwickelter Insitu-Endcappingmethoden werden die Polyrotaxane mit Adamantane-Stoppern versehen, die von CD-Rezeptoren gebunden werden können. Außerdem werden die komplexierten azido CDs mit einem Cholesterylrest modifiziert, der den STLs die Fähigkeit verleiht, in Membranen eingebaut zu werden. Im Folgenden wird durch IR-Absorptions-Reflektions-Spektroskopie, ebenso wie durch Untersuchung der Filmmorphologie mit Rasterkraftmikroskopie und Brewster-Angle-Mikroskopie gezeigt, dass die STLs ausgezeichnet in Phospholipid-(DPPC)-Modelmembranen verankert sind. Mit Hilfe von Neutronenstreuung wird nachgewiesen, dass STLs bei hoher Polymeroberflächendichte Polymerbürsten bilden. Diese werden sehr gut durch die Molekularfeldtheorie für Polymere beschrieben. Darüber hinaus werden unter Anwendung eines “Surface Force Apparatus” (SFA) charakteristische Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen zwischen Cholesteryl-CD und STL funktionalisierten Membranen gemessen.

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