| License: Creative Commons Attribution 4.0 (13MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-357435
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.35743
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 4 June 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Burkhard König |
| Date of exam: | 2 June 2017 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Keywords: | photochromism, photopharmacology, dithienylethenes, fulgimides, azobenzenes |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 35743 |
Abstract (English)
The major part of this thesis (Chapter 1 – 3) focuses on the functionalization of different photochromic scaffolds for biological applications. Chapter 4 deals with a modified dye for purification of triplex DNA. Chapter 1 describes different synthetic routes to photochromic dithienylmaleimides functionalized either at each of the thiophene moieties or at the maleimide nitrogen. A Perkin-type ...
Abstract (English)
The major part of this thesis (Chapter 1 – 3) focuses on the functionalization of different photochromic scaffolds for biological applications. Chapter 4 deals with a modified dye for purification of triplex DNA.
Chapter 1 describes different synthetic routes to photochromic dithienylmaleimides functionalized either at each of the thiophene moieties or at the maleimide nitrogen. A Perkin-type condensation of two independently prepared thiophene precursors was successfully employed as the key step to assemble the maleimide core for non-symmetric diarylmaleimides. Thus, a photoswitchable amino acid was obtained and a variety of aromatic substituted dithienylmaleimides were synthesized by applying a Suzuki coupling strategy prior to the condensation. A different synthetic approach gave access to photochromic labeled natural amino acids as well as maleimide protected dithienylmaleimides by the reaction of a dithienylmaleic anhydride with amines or hydrazines. All prepared photoswitchable compounds exhibited reversible photochromism in polar organic solvents.
Photoswitchable histone deacetylase (HDAC) inhibitors are presented in Chapter 2. These inhibitors were gained by equipping dithienylethenes (DTEs) and fulgimides with hydroxamic acids to enable binding to zinc dependent HDACs. The control of these enzymes is of high biomedical interest in anticancer research and epigenetics due to their crucial role in numerous biological processes. While the photochromic performance of the two prepared classes of DTEs was only moderate in polar solvents the fulgimides featured excellent reversible photochromism even in aqueous buffer with very high photostationary states. All synthesized target compounds showed the anticipated inhibitory effect on the tested hHDAC1, hHDAC6, hHDAC8 and smHDAC8 with best IC50 values in the low nanomolar range. However, the corresponding photoisomers showed only a maximum four-fold difference in inhibitory ability. The differences in activity observed in the in vitro experiments could be rationalized by molecular dockings.
Chapter 3 reports the synthesis and biological evaluation of photochromic ligands for modulation of γ-aminobutyric acid (GABA) and glycine-receptors by light. Therefore, photochromic ligands were synthesized by merging structural elements of nitrazepam and nicardipine, which are well-known pharmacophores for ion channels, with photoswitchable azobenzenes. The photochromic properties of the ligands were outstanding with very good fatigue resistance and high photostationary states. Initial in vitro electrophysiological investigations identified one azo benzodiazepine as very promising ligand. This compound acted not only as a UV sensitive blocker of GABAA-receptors, but also as subtype specific photoswitchable modulator of glycine-receptors. Preliminary molecular dockings could partly explain these experimental effects. Furthermore, in vivo investigations of the photochromic ligands were performed and another azo benzodiazepine showed photoswitchable influence on the activity of zebrafish larvae.
The attempt to purify triplex DNA with a biotinylated thiazole orange derivative, which was synthesized by azide-alkyne click chemistry, is described in Chapter 4. Biological investigations of the functionalized compound could prove that the prepared thiazole orange kept the ability to stabilize triplexes against competitor oligonucleotides. However, a loss of overall affinity and specificity to triplex DNA was observed, which disqualified the biotinylated thiazole orange for a utilization to purify triplexes.
Overall, this thesis presents functionalized synthetic compounds for biological applications. In particular, the contributions of this work are relevant for the future development of novel molecular tools to light-control cellular processes or living organisms.
Translation of the abstract (German)
Der Großteil dieser Arbeit (Kapitel 1 – 3) befasst sich mit der Funktionalisierung photochromer Strukturen und deren biologischen Anwendungen. Kapitel 4 diskutiert die Synthese und Eigenschaften eines modifizierten Farbstoffs für die Aufreinigung von Triplex-DNA. In Kapitel 1 werden verschiedene Syntheserouten zu photochromen Dithienylmaleimiden beschrieben, die entweder an jedem Thiophen oder ...
Translation of the abstract (German)
Der Großteil dieser Arbeit (Kapitel 1 – 3) befasst sich mit der Funktionalisierung photochromer Strukturen und deren biologischen Anwendungen. Kapitel 4 diskutiert die Synthese und Eigenschaften eines modifizierten Farbstoffs für die Aufreinigung von Triplex-DNA.
In Kapitel 1 werden verschiedene Syntheserouten zu photochromen Dithienylmaleimiden beschrieben, die entweder an jedem Thiophen oder am Maleimid-Stickstoff funktionalisiert sind. Eine Perkin-Kondensationsreaktion von zwei unabhängig voneinander hergestellten Thiophenvorstufen wurde als Schlüsselschritt zum Aufbau der Maleimid-Grundstruktur unsymmetrische Diarylmaleimde verwendet. Damit konnte eine photoschaltbare Aminosäure hergestellt werden, sowie verschiedene, aromatisch substituierte Dithienylmaleimide. Letzteres gelang durch eine Funktionalisierung der Vorstufen mittels Suzuki-Kupplung vor der Kondensation. Ein weiterer synthetischer Ansatz der Reaktion eines Dithienylmaleimidanhydrids mit Aminen oder Hydrazinen lieferte photochrom markierte natürliche Aminosäuren und Stickstoff-geschützte Dithienylmalemide. Alle hergestellten photoschaltbaren Verbindungen zeigten reversible Photochromie in polaren organischen Lösungsmitteln.
Kapitel 2 befasst sich mit photoschaltbaren Inhibitoren für Histon-Deacetylasen (HDACs). Diese Inhibitoren wurden durch Derivatisierung von Dithienylethenen (DTEs) und Fulgimiden mit Hydroxamsäuren erhalten, welche eine Bindung an HDACs mit einem Zinkion im katalytischen Zentrum ermöglichen. Die Kontrolle dieser Enzyme ist wegen ihrer entscheidenden Rolle in einer Vielzahl von biologischen Prozessen von hohem biomedizinischem Interesse in der Anti-Krebs-Forschung und auf dem Gebiet der Epigenetik. Während die photochromen Eigenschaften der zwei verschiedenen Klassen von verwendeten DTEs in polaren Lösungsmitteln nur mäßig waren, zeigten hingegen die Fulgimide sogar in wässrigen Puffersystemen ausgezeichnetes und reversibles photochromes Verhalten mit sehr hohen photostationären Zuständen. Alle synthetisierten Zielstrukturen zeigten eine erwartete Inhibition der getesteten hHDAC1, hHDAC6, hHDAC8 und smHDAC8 mit den besten IC50-Werten im zweistelligen nanomolaren Bereich. Die entsprechenden Photoisomere unterschieden sich jedoch nur maximal vierfach in ihrer Inhibitionswirkung. Die beobachteten Inhibitionsunterschiede konnten durch molekulares Docking erklärt werden.
Die Synthese und biologische Untersuchung von photochromen Liganden für die Regulierung von γ-Aminobuttersäure- (GABA) und Glycinrezeptoren mittels Licht ist in Kapitel 3 dargestellt. Für die Herstellung dieser Liganden wurden Strukturelemente von Nitrazepam und Nicardipin, die bekannte Pharmakophore für Ionenkanäle sind, mit der von Azobenzolen verschmolzen. Die photochromen Eigenschaften der Liganden waren herausragend mit sehr guter Stabilität und hohen photostationären Zuständen. Erste elektrophysiologische Untersuchungen in vitro identifizierten ein Azo-Benzodiazepin als vielversprechenden Liganden. Dieser wirkte nicht nur als UV-sensitiver Blocker von GABAA-Kanälen, sondern auch als subtypspezifischer, photoschaltbarer Modulator an Glycinrezeptoren. Vorläufige molekulare Dockings konnten diese experimentellen Befunde teilweise erklären. Außerdem wurden die ersten photochromen Liganden auch in vivo untersucht und dabei zeigte ein weiteres Azo-Benzodiazepin photoschaltbaren Einfluss auf die Aktivität von Zebrafischlarven.
Kapitel 4 beschreibt den Versuch der Aufreinigung von Triplex-DNA mittels eines Thiazol Orange Derivats, das mit Hilfe einer Azid-Alkin-Cycloaddition mit Biotin funktionalisiert wurde. Biologische Untersuchungen zeigten, dass die hergestellte Verbindung zwar auch wie Thiazol Orange die Eigenschaft hat Triplex-DNA gegenüber konkurrierende Oligonucleotide zu stabilisieren, jedoch insgesamt nicht mehr so affin und spezifisch an Triplex-DNA bindet. Damit konnte das funktionalisierte Thiazol Orange nicht wie weiter angedacht zur Aufreinigung von Triplex-DNA verwendet werden.
Zusammengefasst beschreibt diese Arbeit synthetische, funktionalisierte Verbindungen für biologische Anwendungen. Die erzielten Erkenntnisse sind insbesondere für die zukünftige Entwicklung von neuen molekularen Werkzeugen relevant, um zelluläre Prozesse oder neurophysiologische Prozesse in Lebewesen mit Licht zu steuern.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 21:13
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