Polyvalent Virus Inhibitors Based on Functionalized Carbon Nanoarchitectures

Abstract

In the present dissertation, various carbon nanomaterials (graphene, nanodiamonds, nanotubes, and fullerenes) were initially pre-treated with different oxidative or reductive procedures. The resulting nanostructures were subsequently functionalized by a “grafting from” or “grafting to” process to synthesize novel polymer-hybrid-architectures. By applying a simple polysulfation, it was possible to convert the existing hydroxyl groups of the polymer backbone in an almost precise and controlled manner into sulfate groups. Therefore, the functionalized zero-dimensional nanodiamonds or fullerenes, one-dimensional nanotubes, and two-dimensional graphene hybrid- materials gained an anionic character, which enabled the polyvalent interaction potential of the functionalized nanoarchitectures to different types of pathogens. By imitating the heparan sulfate-containing extracellular matrix, the synthesized, polyvalent polymer-nanoarchitectures can be seen as an alternative heparin mimetic and thus as a novel pathogen inhibitors. In order to evaluate the inhibition efficacy of the individual hybrid material, binding studies as well as inhibition experiments with different viruses were carried out. Orthopox viruses, herpes viruses, and the African swine fever virus were selected and used for the biological studies, since polyanions only interact with enveloped viruses. Additionally, all of the enumerated viruses have an affinity for heparan-sulfate interaction and are therefore ideal candidates for the efficacy studies of the hybrid-nanomaterials. By varying the novel inhibitory concept and its biological evaluation, it was possible to successfully determine which factors had a significant impact on the inhibition potential. Above all, the degree of sulfation and polymerization as well as the inhibitor geometry and size played a decisive role. Furthermore, in the case of the graphene derivatives, a dependence of the inhibition efficacy due to the attached ligand flexibility could also be shown. Altogether, it can be concluded that by functionalizing the unique carbon nanomaterials with polyglycerol sulfate (PGS) it was possible to transfer properties of the biologically active PGS to the combined system and thus to realize novel, polyvalent pathogen inhibitors. In the near future the collected findings can make a decisive contribution to the development and optimization of efficient, polyvalent inhibitor systems.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden zunächst verschiedene Kohlenstoff-Nanomaterialien (Graphene, Nanodiamanten, Nanoröhren und Fullerene) mittels unterschiedlicher Oxidations- beziehungsweise Reduktionsverfahren vorbehandelt. Die hierbei erhaltenen Nanostrukturen wurden anschließend einem "grafting from" oder einem "grafting to" Prozess unterzogen, um neuartige Polymer-Hybridarchitekturen zu synthetisieren. Durch Anwendung einer einfachen Polysulfatierung ist es möglich die vorhandenen Hydroxylgruppen des Polymergerüstes zielgerichtet und kontrolliert in Sulfatgruppen umzuwandeln. Die funktionalisierten nulldimensionalen (Nanodiamanten und Fullerene), eindimensionalen (Nanoröhren) und zweidimensionalen (Graphene) Hybridsysteme erhalten dadurch einen anionischen Charakter, der den Hybridmaterialien eine Interaktion mit den überwiegend positiv geladenen Virushüllen ermöglicht. Durch Imitation der heparansulfathaltigen, extrazellulären Matrix, stellen die synthetisierten, polyvalenten Polymer-Nanoarchitekturen potentielle ECM-Mimetika und somit neuartige Pathogeninhibitoren dar. Um die Wirksamkeit der einzelnen Hybridarchitekturen in Bezug auf ihr mögliches Inhibitionspotential zu testen, wurden sowohl Bindungsstudien als auch Inhibitionsversuche mit unterschiedlichen Viren durchgeführt. Da Polyanionen ausschließlich in der Lage sind mit eingehüllten Viren zu interagieren, wurden in diesem Zusammenhang sowohl Orthopockenviren, als auch Herpesviren und das Afrikanische Schweinefiebervirus verwendet. Die aufgezählten Virenarten verfügen alle über eine hohe Affinität zu Heparansulfat und sind daher ideale Kandidaten für die Wirksamkeitsuntersuchungen der Hybrid-Nanomaterialien. Durch Variation des neuartigen Inhibitorkonzepts und dessen biologischer Evaluation konnte erfolgreich gezeigt werden, welche Faktoren einen signifikanten Einfluss auf das Inhibitionspotential haben. Hierbei spielen vor allem der Sulfatierungs- und der Polymerisationsgrad als auch die Inhibitorgeometrie und -größe eine entscheidende Rolle. Des Weiteren konnte im Falle der Graphenderivate auch eine Abhängigkeit der Inhibition von der Ligandenstruktur gezeigt werden. Insgesamt lässt sich also festhalten, dass es durch eine Funktionalisierung der einzigartigen Kohlenstoff-Nanomaterialien mit Polyglycerinsulfat (PGS) möglich ist, Eigenschaften des biologisch aktiven PGS auf das Gesamtsystem zu übertragen, um somit neuartige, polyvalente Inhibitoren zu realisieren. Die gesammelten Erkenntnisse können hierbei zukünftig einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung und Optimierung effizienter, polyvalenter Virus-Inhibitoren leisten.