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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-253709
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.25370
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 1 Juli 2013 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Burkhard König |
| Tag der Prüfung: | 13 Juli 2012 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Stichwörter / Keywords: | renewable resources, sugar melts, glycosylurea, malignant melanoma, MIA protein, MIA inhibitors, drug delivery, PEGylation, PEG hydrogels |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 25370 |
Zusammenfassung (Englisch)
In the course of this project, acidic, basic, metal, and photo catalysts were applied to carbohydrate melts. We aimed to find chemical reactions converting carbohydrates in a selective and efficient way into fine chemicals in this screening process. The present study revealed that under basic conditions carbohydrates isomerise via well-known keto-enediol intermediates which are in equilibrium. ...
Zusammenfassung (Englisch)
In the course of this project, acidic, basic, metal, and photo catalysts were applied to carbohydrate melts. We aimed to find chemical reactions converting carbohydrates in a selective and efficient way into fine chemicals in this screening process.
The present study revealed that under basic conditions carbohydrates isomerise via well-known keto-enediol intermediates which are in equilibrium. Besides, observed decomposition reactions were also unselective. The addition of amines led to random Maillard products. Caramelisation products occurred constantly, especially at high temperatures. Furthermore, we could show that carbohydrates were not converted by applying metal catalysis, with the focus on oxidation reactions, or photo catalysis. Often, glucosylurea was formed during the reaction.
Acid catalysed reactions provided the most promising results. In choline chloride melts, acids catalyse the elimination of water molecules which leads to furfural derivatives, important organic platform chemicals. We illustrated the synthesis of 5-hydroxmethylfurfural (5-HMF) from L-sorbose and 5-(α-D-glucosyloxymethyl)furfural (GMF) from isomaltulose.
In general, glycosylureas are produced in sugar-urea melts from different aldohexoses as well as from ketohexoses under acidic conditions. They are remarkably stable and are stereoselectively formed in high yields and short reaction times. Slightly acidic conditions are sufficient to make them the preferred product. Thus, we could improve existing syntheses of glycosylureas by implementing a method using environmentally benign bulk chemicals without the need of a solvent. Accordingly, reactions times were reduced and yields were increased.
Summing up, we concluded that sugars show similar reaction behaviour in melts as in solution.
Aggressive growth accompanied by rapid metastasis makes the malignant melanoma a kind of cancer with a low rate of survival in an advanced stage. The melanoma inhibitory activity (MIA) protein reduces the cell contacts to the extracellular matrix and facilitates metastasis. Remarkably, MIA protein is exclusively expressed in malignant melanoma cells and chondrocytes. In comparison to other chemotherapeutic agents, anti metastatic agents (substances which inhibit the functional activity of MIA protein) would thus prevent the spreading of these cells and reduce the side effects of systemic chemotherapy dramatically. MIA protein is functionally active after formation of dimers. Small compounds which prevent this assembly would be very interesting drugs in the treatment of cancer. Short peptides consisting of three to eighteen amino acids were assessed in a screening process to inhibit the dimerisation of MIA protein in vitro and in vivo. The major drawback of proteins and peptides as drugs is their poor in vivo stability and the resulting low plasma concentration which is often below the effective dose. Currently, the poor pharmacokinetic properties of proteins often require daily injections which entail high costs and are a burden to the treated patients. Therefore, the aim of this thesis was to increase the in vivo stability of MIA inhibiting peptides and thus to achieve adequate drug levels in plasma.
It was attempted to achieve this goal by simple modifications of the molecular structure of the known inhibitors, with the focus on modifications of the peptide backbone. The synthesised peptide mimetics were methylated at the nitrogen atom of the amide bond of the peptide chain, transformed to N-substituted glycines (peptoids), or cyclised in a head-to-tail fashion. Subsequent in vitro tests (HTFP assay, Western Blot analysis) of the derivatives showed that their activity was significantly reduced in comparison to the original compounds. This was attributed to a conformational change of the mimics due to variations in the chemical structure. The results implicate that their conformation differs strongly from the bioactive conformation, thus reducing the potency. As the structural variation of lead compounds is often connected with the risk of losing activity, a second approach was pursued. By applying drug delivery systems the molecular structure can be retained. Furthermore, these devices should ideally release a drug selectively at the site of action over a predetermined period of time. Consequently, a constant plasma concentration might be maintained leading to a reduced frequency of application and overall in an improved therapy.
Covalent attachment of polymers like poly(ethylene glycol) is a convenient method to increase the circulation time by reducing the rate of renal and hepatic clearance and metabolic degradation of the drugs. PEGylation of small MIA inhibitors led to highly active compounds, as in vitro tests showed. Future experiments will have to elucidate their pharmacokinetic properties.
Sustained release devices are also suitable alternatives to reduce the drug administration frequency. A new formulation of biocompatible triglyceride implants released the incorporated peptide almost completely within 24 hours which provided no improvement over the current application method. For this reason, highly biocompatible PEG hydrogels were applied as slow-releasing matrices. The applicability of hydrogels in sustained release systems is still limited as incorporated compounds are rapidly released. It was observed that the incorporated model peptide was released within five days from PEG hydrogels.
In conclusion, first steps to increase the in vivo stability of MIA inhibitors by different approaches have been made within the scope of this thesis. Certainly, many experiments will still be necessary in order to obtain a marketable product for the treatment of malignant melanoma. First steps have been made in the challenging field of peptide delivery. The knowledge attained in this work contributes significantly to future work of optimising the molecular structure of the drug or the drug carrier system.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Verlauf dieses Projektes wurden Säure-, Basen-, Metall- und Photokatalysatoren hinsichtlich ihrer Wirkung auf Kohlenhydrat-Schmelzen untersucht. Unser Ziel war es in einem „Screening“-Verfahren chemische Reaktionen zu finden, in denen Kohlenhydrate, speziell Monosaccharide, selektiv und effizient zu Feinchemikalien umgesetzt werden. Unter Basen-, Metall- und Photokatalyse verliefen die ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Im Verlauf dieses Projektes wurden Säure-, Basen-, Metall- und Photokatalysatoren hinsichtlich ihrer Wirkung auf Kohlenhydrat-Schmelzen untersucht. Unser Ziel war es in einem „Screening“-Verfahren chemische Reaktionen zu finden, in denen Kohlenhydrate, speziell Monosaccharide, selektiv und effizient zu Feinchemikalien umgesetzt werden.
Unter Basen-, Metall- und Photokatalyse verliefen die Reaktionen unselektiv, weswegen sie hier nur kurz zusammengefasst werden. Basische Reaktionsbedingungen führten zu einer Epimerisierung von Glucose, die im Gleichgewicht mit Mannose und Fructose (und anderen epimeren Hexosen) vorlag. Ebenfalls unter basischen Bedingungen auftretende Abbaureaktionen wurden auch in der Schmelze beobachtet, waren aber nicht selektiv. Eine Vielzahl von Maillardprodukten entstand nach der Zugabe von Aminen. Bei den meisten Reaktionsansätzen entwickelten sich Karamellisierungsprodukte, insbesondere bei hohen Temperaturen. Des Weiteren wurden die Kohlenhydrate in Anwesenheit von Metall- oder Photokatalysatoren oft nicht umgesetzt; häufig war Glucosylharnstoff das bevorzugte Produkt. Vielversprechende Ergebnisse wurden unter sauren Bedingungen erhalten. In Cholinchlorid-Schmelzen wurden säurekatalysiert nach Abspaltung von Wassermolekülen Furfural-Derivate, wichtige organische Bausteine, erhalten. Auf diese Weise wurde 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) aus verschiedenen Kohlenhydraten und 5-(α-D-Glucosyloxymethyl)furfural (GMF) ausgehend von Isomaltulose hergestellt. In Zucker-Harnstoff-Schmelzen war die Bildung von Glycosylharnstoffen, ausgehend von Hexosen und auch Ketosen, nach sehr kurzen Reaktionszeiten in hohen Ausbeuten auffallend. Glucosylharnstoff war oft das Hauptprodukt bei versuchten Oxidationsreaktionen und Photoreaktionen. Schwach saure Bedingungen sind offenbar ausreichend, dass dieser das bevorzugt gebildete Produkt ist.
Zusammenfassend zeigten unsere Versuche, dass die Zucker in der Schmelze ein ähnliches Reaktionsverhalten aufweisen wie in Lösung.
Aggressives Wachstum mit schneller Metastasierung macht das maligne Melanom zu einer Krebsart mit einer sehr niedrigen Überlebensrate im fortgeschrittenen Stadium. Das Protein MIA ermöglicht es den Krebszellen sich aus der extrazellulären Matrix zu lösen und erleichtert so die Metastasenbildung. Das Besondere am MIA Protein ist, das es ausschließlich in malignen Melanomzellen und Chondrocyten exprimiert wird. Antimetastasische Wirkstoffe, die die Funktion des MIA Proteins unterbinden, würden somit nur die Verbreitung dieser Zellen verhindern und so Nebenwirkungen im Vergleich zu anderen Chemotherapeutika drastisch reduzieren.
Das Melanoma Inhibitory Activity (MIA) Protein erfüllt erst dann seine biologische Funktion, wenn es Dimere gebildet hat. Einfache Verbindungen, die diese Dimerisierung verhindern bzw. die aktiven Dimere dissoziieren, wären deshalb sehr interessante Therapeutika. In einem Screening Verfahren wurden kurze Peptide mit drei bis achtzehn Aminosäuren entdeckt, die die Dimerbildung des MIA Proteins in vitro und in vivo inhibieren.
Der große Nachteil von Proteinen und Peptiden als Wirkstoffe ist deren geringe in vivo Stabilität und die daraus resultierende niedrige Plasmakonzentration, oftmals unterhalb der wirksamen Dosis. Derzeit erfordern die schlechten pharmakologischen Eigenschaften von Proteinen und Peptiden regelmäßige Injektionen, die mit einem hohen Kostenaufwand und auch einer Belastung für die Patienten verbunden sind.
Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die in vivo Stabilität der MIA inhibierenden Peptide zu erhöhen und damit ausreichende Wirkstoffspiegel im Plasma zu erreichen.
Zunächst sollte die dieses Ziel durch einfache Veränderungen der chemischen Struktur, speziell am Peptidrückgrat, der bekannten Inhibitoren bewirkt werden. Die synthetisierten Peptidmimetika wurden am Stickstoffatom der Amidbindung in der Peptidkette methyliert, zu N substituierten Glycinen (Peptoide) umgewandelt oder zu einem Ring mit einer Kopf-Schwanz-Struktur verknüpft. In den nachfolgenden in vitro Funktionstests (HTFP assay, Western Blot Analyse) der Derivate zeigte sich, dass sich die biologische Aktivität durch Strukturänderungen, im Vergleich zu den Originalsequenzen deutlich verringert hatte. Dies wurde auf eine Konformationsänderung der Mimetika zurückgeführt, so dass deren Konformation stark von der bioaktiven Konformation abweicht und somit zu einer Verringerung der Wirkung führt.
Aus diesem Grund wurde eine zweite Strategie verfolgt bei der die ursprüngliche Molekülstruktur beibehalten werden kann. Indem der Wirkstoff gezielt am Wirkort und über einen festgelegten Zeitraum freigesetzt wird, kann die Häufigkeit der Anwendung reduziert werden und gleichzeitig konstante Plasmaspiegel und damit eine Verbesserung der Therapie erreicht werden.
Eine dafür geeignete Methode ist die kovalente Anknüpfung von Polymeren wie Poly(ethylen glykol) (PEG). Durch PEGylierung kann die Zirkulationsdauer erhöht werden, indem die renale und hepatische Clearance und auch der metabolische Abbau der Wirkstoffe verringert wird. Wie in in vitro Tests gezeigt wurde, führte die PEGylierung von kleinen MIA Inhibitoren zu hochaktiven Verbindungen. Zukünftige Experimente werden sich mit der Aufklärung der pharmakinetischen Eigenschaften befassen. Sustained release Formulierungen sind ebenfalls geeignete Alternativen, um die Häufigkeit der Injektionen herabzusetzen. Eine neue Formulierung eines Implantats basierend auf biokompatiblen Triglyceriden setzte das eingebettete Modellpeptid fast vollständig innerhalb von 24 Stunden frei; im Vergleich zur bisherigen Anwendungsweise stellt diese Methode keine Verbesserung dar. Deshalb wurden biokompatible PEG Hydrogele als langsam freisetzende Matrices eingesetzt. Die Anwendbarkeit von Hydrogelen als sustained release Systeme ist immer noch begrenzt, da die eingeschlossenen Verbindungen schnell freigesetzt werden. Es wurde beobachtet, dass das eingebettete Modellpeptid innerhalb von fünf Tagen freigesetzt wurde. Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Arbeit erste Schritte gemacht, die in vivo Stabilität von MIA Inhibitoren durch verschiedenartige Ansätze zu erhöhen. Obwohl sicherlich noch viele Experimente notwenig sein werden, um ein marktfähiges Produkt für die Behandlung des malignen Melanoms zu bekommen, wurden mit dieser Arbeit grundlegende Erkenntnisse gewonnen, die zur Entwicklung eines verbesserten Wirkstoffes bzw. eines Wirkstoffträgersystems maßgeblich beitragen werden.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 04:26
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