Carbohydrate systems for biosensing, imaging, and medical applications

Abstract

In the following chapters, I will investigate the role of different carbohydrate constructs –from monovalent to polyvalent nanoscale materials– and their application in molecular diagnostics, biosensing, imaging, and medicine. New synthesis were established and exploited to understand and monitor interactions involved with carbohydrates. I have also developed carbohydrate-based novel therapeutic approaches that can intervene in important biomedical applications. The work is presented is a size-dependent manner starting with the smallest construct to bigger structures. Chapter 1 summarizes different strategies for preparing multivalent carbohydrate probes and their major applications in biosensing, imaging, and other biological or medical applications. To address fundamental aspects of carbohydrate-based interactions that were developed in the Seeberger group, different types of multivalent systems ranging from dendrimers to supramolecular structures, and from fullerenes to nanoparticles in order to fine tune the spatial and the topology structures of the carbohydrate ligands required in such systems. Chapter 2 describes the synthesis of a bifunctional chelator construct, that simultaneously coordinate 99mTc-metal cores and tether biomolecules for selective targeting and imaging of specific organs –a key feature in the development of modern radiodiagnostics. The chelator was successfully conjugated with the monosaccharides followed by efficient reaction with the organometallic precursor [M(CO)3]+ (M = Re, 99mTc) to generate the 99mTc- labeled glycoconjugates. Biodistribution of the radioactive-99mTc-labeled glycoconjugates was examined in mice. Noticeably, different biodistribution patterns were observed, reflecting trends in the uptake of carbohydrate analogues by various organs. Chapter 3 deals with the development of a series of multivalent sensors that self-assemble via hydrophobic supramolecular interactions. The multivalent sensors are comprised of a fluorescent Ru(II) core surrounded by a heptamannosylated -cyclodextrin scaffold. Photophysical and spectroscopic analyses confirmed that the three mannosylated sensors displayed 14, 28, and 42 sugar units, respectively. Each complex adopted original and unique spatial arrangements. The sensors were then used to investigate the influence of carbohydrate spatial arrangement and clustering upon lectin and bacterial binding. Chapter 4 reports the design and synthesis of polyhydroxylated fullerenes and dodecavalent fullerene-based glycoclusters. The constructs were used as radical scavengers and anti-inflammatory agents in the treatment of ischemic stroke in rats subjected to transient middle cerebral artery occlusion. Magnetic resonance imaging was used to evaluate the infarct size reduction due to the treatment. Treated animals showed better neurological assessment compared to controls. Both agents, preserved neurons after ischemic stroke in the perilesional area and reduced the density of macrophags/microglia infiltration in rats. Reduction of cellular and humoral immune responses due to treatment may constitute an attractive therapeutic approach for ischemic stroke. Chapter 5 presents the work the development of localized surface plasmon resonance transducers based on Au island films prepared by evaporation on glass and annealing were optimized for monitoring the specific interaction between Con A and mannose immobilized on Au islands. Sensing assays were performed under stationary and flow conditions, the latter providing kinetic parameters for protein binding and dissociation. Enhanced response and visual detection of protein binding was demonstrated using Au nanoparticles stabilized with mannose molecules.

In den folgenden Kapiteln werden die Synthese und Anwendung verschiedener synthetischer Kohlenhydratstrukturen –von monovalenten bis hin zu polyvalenten Nanomaterialien– in der molekularen Diagnostik, Biosensorik, in bildgebenden Verfahren und der Medizin beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Systeme etabliert und dazu genutzt um molekulare Interaktionen, an denen Kohlenhydrate beteiligt sind, besser zu verstehen. Darüber hinaus wurden neue Kohlenhydrat-basierte Therapiestrategien für verschiedene biomedizinische Anwendungen entwickelt. Die Arbeiten werden im Folgenden der Größe der Konstrukte nach geordnet dargestellt (vom kleinsten zum größten Konstrukt). Kapitel 1 fasst verschiedene Strategien zur Herstellung multivalenter Kohlenhydrat-Sonden und ihre Anwendungen in Biosensorik, Bildgebung sowie weiteren biologischen und medizinischen Anwendungen zusammen. Um grundlegende Aspekte von Kohlenhydrat-basierten Interaktionen eingehend zu untersuchen, wurden verschiedene Arten multivalenter Systeme entwickelt, von Dendrimeren bis hin zu supramolekularen Strukturen, von Fullerenen bis hin zu Nanopartikeln. Dabei wurden die verschiedenen Systeme gewählt um die räumliche Orientierung der jeweiligen Kohlenhydrat-Liganden den Anforderungen der Systeme entsprechend anzupassen. Kapitel 2 beschreibt die Synthese eines bifunktionellen Chelators, der einen 99Tc-Metallkern koordiniert und an den gleichzeitig Biomoleküle zum zellspezifischen Targeting und zur Bildgebung von Organen angebunden werden können –ein entscheidender Aspekt bei der Entwicklung moderner Radiodiagnostika. Der Chelator wurde erfolgreich mit Monosacchariden konjugiert, gefolgt von einer Reaktion mit dem organometallischen Vorläufer [M(CO)3]+ (M = Re, 99mTc) um 99mTc-markierte Glykokonjugate herzustellen. Die in vivo-Verteilung der 99mTc-markierten Glykokonjugate wurde im Mausmodell untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Verteilungsmuster beobachtet, die eine spezifische Aufnahme der jeweiligen Kohlenhydrate in die unterschiedlichen Organe andeuten. In Kapitel 3 wird die Entwicklung einer Reihe multivalenter Sensoren beschrieben, die aufgrund von hydrophoben supramolekularen Interaktionen selbst assemblieren. Diese multivalenten Sensoren bestehen aus einem fluoreszierenden Ru(II) Kern, umgeben von einem heptamannosylierten -Cyclodextrin. Photophysikalische und spektroskopische Analysen bestätigten, dass die drei mannosylierten Sensoren 14, 28 bzw. 42 Zuckereinheiten aufwiesen. Jeder Sensor zeichnete sich dabei durch eine einzigartige Anordnung der Zuckereinheiten aus. Die Sensoren wurden anschließend dazu genutzt, um den Einfluss der räumlichen Orientierung der Zuckerliganden auf die Bindung an Lektine und Bakterien zu untersuchen. In Kapitel 4 ist die Planung und Synthese polyhydroxylierter Fullerene und dodekavalenter, Fulleren-basierter Glykocluster dargestellt. Die Konstrukte wurden als Radikalfänger und anti-inflammatorische Substanzen zur Therapie in einem Ratten-Schlaganfall-Modell genutzt. Mittels Magnetresonanztomographie wurde gezeigt, dass die Infarktgröße nach der Therapie reduziert war. Darüber hinaus zeigten die Tiere nach der Behandlung geringere neurologische Symptome. Die Konstrukte wirkten zudem schützend auf Nervenzellen in dem Infarkt benachbarten Hirnregionen und führten zu einer reduzierten Infiltration von Makrophagen/Mikroglia in Ratten. Die verringerte zelluläre und humorale Immunantwort nach der Behandlung könnte einen neuen Therapieansatz für Schlaganfall darstellen. In Kapitel 5 wird die Entwicklung lokalisierten Oberflächenplasmonresonanz-Signalwandler basierend auf Gold-Inseln dargestellt, die durch Bedampfen auf Glas aufgebracht wurden. Hiermit wurde die Interaktion zwischen ConA und auf den Gold-Inseln immobilisierter Mannose gemessen. Die Biosensorik-Tests wurden unter stationären und kontinuierlichen Bedingungen durchgeführt; letztere dienten dazu die Kinetik der Proteinbindung und Dissoziation zu untersuchen. Eine verstärkte Antwort und visuelle Detektion der Proteinbindung konnte mit Hilfe von Mannose-funktionalisierten Goldnanopartikeln nachgewiesen werden.