New bifunctional polyglycerol dendrons for biomedical applications

Abstract

In this work, a highly efficient synthesis of bifunctional polyglycerol (PG) dendrons was developed and applied in the modular synthesis of core-shell architectures as well as for modification of gold surfaces in order to investigate their protein resistant properties. In the first part of this work, the new synthetic pathways for the synthesis of the bifunctional PG- dendrons have been successfully introduced. In both approaches, the divergent and the convergent one, commercially available triglycerol was used as a building block. Unlikely, the divergent approach possesses many drawbacks, like high toxicity of the osmium catalyst and difficulties in purifications of the polyols and therefore a new synthetic pathway was needed. Applying a combination of two previously described protocols, a new, osmium free convergent approach to bifunctional PG dendrons was successfully developed. Additionally, this environment friendly synthetic pathway (lower toxicity of used reagents and only small excess of them) make possible to obtain PG dendrons with high structural purity on multigram scale up to the 4th generation. Further, a library of core-shell architectures, based on a variety of aromatic cores and different generations of highly biocompatible “click” dendrons, was prepared through the use of a “click” chemistry concept. These new architectures were then used as solubilizing agents for the hydrophobic dye Nile Red. It was shown that the transport capacity of the dye was significantly improved by enlarging the core size as well as with higher dendron generation. Finally, to understand protein resistant phenomena of PG two different approaches, namely Whitesides’ “anhydride” method and direct chemisorption of alkanethiolates based on PG dendrons were applied for that purpose. In the first part of this study, the synthesis of a library of mono- amino oligoglycerols (linear and branched) with different terminal functionality (–OH and –OMe) was successfully achieved. Applying SPR spectroscopy the effect of dendrimer generation and shell functionalization on protein resistance was investigated. It was observed that the capability of PG dendrons to resist non-specific protein adsorption depends strongly on the size of the dendron and as well on its functionality. Unfortunately, the amide coupling method was not efficient enough for sterical hindered amino functionality. Therefore, for gold modification with a monolayer of PG dendrons was applied direct chemisorption of appropriate alkanethiol conjugates followed by the studies of their interactions with biofouling relevant proteins. To achieve alkanethiols conjugated to PG dendrons with different functionalities on the dendron terminal groups a simple synthetic approach was applied and well optimized. This detailed structure-property study clearly shows that already an alkanethiol with [G1.0] dendron is highly protein resistant. Additionally, presence of multiple free –OH groups, beside their high resistance to non-specific protein adsorption, gives the possibility to further functionalize with ligands for specific interactions. In this work it was demonstrated that the new, efficient route to large quantities of bifunctional PG dendrons was successfully achieved. These dendrons are easy to functionalize at both ends, in the focal point and at the periphery to generate new dendritic architectures, as was shown for various examples within this work.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer hochwirksamen Synthese von bifunktionalen Polyglycerol (PG) Dendronen. Weiterhin wurden die Verwendungsmöglichkeiten in der modularen Synthese von Kern-Schale Architekturen und in der Modifikation von Gold-Oberflächen untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde erfolgreich ein neuer Syntheseweg für die Synthese bifunktionaler Dendronen basierend auf Glycerol Einheiten entwickelt. Sowohl mit Hilfe der divergenten als auch der konvergenten Methode wurde das kommerziell verfügbare Triglycerol als molekularer Baustein verwendet. Mit dem divergenten Ansatz konnten die bifunktionalen Dendronen bis zu [G3.0] in mittleren Maßstäben (~10 g) in zufriedenstellender Ausbeute erhalten werden. Jedoch durch die Anwendung einer Kombination zweier zuvor beschriebener Protokolle konnte eine neue osmiumfreie, konvergente Methode zur Synthese bifunktionaler PG-Dendronen in Anlehnung an den traditionellen divergenten Syntheseweg erfolgreich entwickelt werden. Dieser umweltfreundliche Syntheseweg (niedrige Toxizität der verwendeten Reagenzien) liefert Glycerol- Dendrimere bis zu [G4.0] in großem Maßstab und mit hoher struktureller Reinheit und ist damit dem etablierten divergenten Syntheseweg deutlich überlegen. Weiterhin, durch die Verwendung eines modularen „click“ Konzeptes, konnte eine Bibliothek an Kern-Schale Architekturen basierend auf diversen aromatischen Kernen und verschiedenen Generationen hoch biokompatibler Monoazido-Dendronen synthetisiert werden. Diese neuen Architekturen wurden dann zur Solubilisierung des hydrophoben Farbstoffs Nil Rot verwendet. Es konnte auch eine starke Struktur-Transport Beziehung in Abhängigkeit der Kerngröße und Generation des PG-Dendrons nachgewiesen werden. Anschließend wurden die proteinresistente Eigenschaften der PG-Derivate anhand von zwei unterschiedlichen Methoden erforscht, und zwar durch Verwendung von Whitesides „Anhydrid“ Methode und durch direkte Chemisorption von Alkenthiolaten konjugiert mit PG-Dendronen. Im diesem Teil der Studien, wurde die Auswirkung von Dendrimer Generationen und Schale-Funktionalisierung unter Verwendung von SPR-Spektroskopie untersucht. Für die erste Methode wurde eine Bibliothek von Monoamino-Oligoglycerolderivaten mit unterschiedlichen, terminalen Funktionalitäten erfolgreich etabliert. Dabei wurde beobachtet, dass die proteinabweisenden Eigenschaften der PG-Dendrone stark von der Dendrongröße und der jeweiligen Funktionalität abhängig ist. Obwohl die Anhydrid-Methode verbreitet ist, war diese Kupplungsmethode für sterisch gehinderte Amino Funktionalitäten nicht effizient genug und deswegen wurde eine Reihe mit Alkanthiolen modifizierte PG-Dendronen auf ihre Wechselwirkungen mit relevanten Proteinen synthetisiert und untersucht. Die vollständige Oberflächen-Funktionalisierung des Goldes ermöglichte nun eine bessere Vergleichbarkeit der Dendronen mit PEG. Es zeigte sich, dass bereits [G1.0] eine höhere Proteinresistanz besitzt als PEG350 und dass eine komplette Funktionalisierung der Oberfläche essentiell für eine wirksame „Protein- Abwehr“ ist. In dieser Arbeit konnte eine neue und effektive Syntheseroute zu bifunktionalen PG-Dendronen entwickelt und in zwei Bereichen etabliert werden. Die hohe Biokompatibilität und Proteinresistanz dieser einfach zugänglichen Synthesebausteinen eröffnen somit ein breites Anwendungsspektrum.