Surface-Functionalized Dendrimers with Potential Application for Anticancer- Therapy: Synthesis and in vitro Cytotoxicity

Abstract

The aim of the present work was to accomplish a synthetic contribution for the application of dendrimers as carriers for anticancer-therapy. A synthetic concept had to be developed, which allows peripheral functionalization of poly(amidoamine)-dendrimers with pharmacologically relevant motifs. The dendrimers were to be equipped with chelating ligands for Pt2+-complexation and were intended to have enhanced solubility in water through OEGs. In order to further optimize the carrier-concept, initial structure/ toxicity correlations were to be evaluated by in vitro cytotoxicity essays. A set of molecules for surface-modification of amino-terminated G0- and G1-dendrimers was synthesized. G0-dendrimers were made accessible, which were based on a trifunctional core moiety. The well-defined construction of bi- (hetero-) functional G1-dendrons and G1-dendrimers was achieved by optimized reaction conditions for the synthesis of tris-orthogonally protected branching units. The compounds with selectively addressable functional groups and monodisperse OEGs ("caps") were equipped with chelating malonic acid or ethylene-diamine ligands or with a fluorescence tag. Their acid group offered the possibility for assembly with dendritic building blocks by employing amide coupling- protocols. The enhanced solubility of "caps" in water was ensured by 12 repeating units of ethylene glycol. The applied coupling protocols made G0-dendrimers 78, 81, 82, 84 and 115 accessible in very good yields and high purity. These molecules served as "models" for this pharmacologically oriented project. The G1-Dendrimers 99 und 100 with ethylene-diamine ligands were obtained in excellent yields in a quasi-convergent approach. Dendrimer 113, carrying fluorescence tag and malonic acid ligands, was readily available and was synthesized in a divergent approach. Dendrimers 81 and 113 are very promising, because they offer free malonic acids for hydrolytically reversible Pt2+-binding. Initial experiments were done to complex these dendrimers with Pt2+. 1H- and 13C-NMR spectroscopy as well as UV-spectra of the obtained compounds, give reason to believe in a successful platination. Unfortunately, corresponding 195Pt-NMR spectrocopic measurements were of minor success, as of yet. Results from cytotoxicity essays on human breast cancer cell lines MCF-7 lead to preliminary, but not generally established structure/ toxicity correlations. None of the dendrimers tested in this context proved to be cytotoxic. In consequence, neither the applied surface-functionalization nor the intrinsic structure of dendrimers of both generations seemed to play a significant role. This can be considered an encouraging signal for the continued development of the described strategy on the generation of new drug- carriers.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es einen Synthesebeitrag zu Dendrimeren als Wirkstoffträger für die Krebstherapie zu leisten. Es sollte ein Synthesekonzept erarbeitet werden, das die periphere Funktionalisierung von Poly(amidoamin)-Dendrimeren mit pharmakologisch relevanten Motiven ermöglicht. Es sollten chelatisierende Liganden zur Komplexierung von Pt2+-Cytostatika eingebaut werden, und die Dendrimere sollten durch Verwendung monodisperser OEGs eine erhöhte Wasserlöslichkeit besitzen. Mit Hilfe von in vitro Cytotoxizitätstests sollten erste Struktur/ Wirkungs-Beziehungen evaluiert werden, um das Trägerkonzept weiter optimieren zu können. Es wurde eine Reihe von Verbindungen zur Oberflächenmodifizierung von Amin-terminierten G0- und G1-Dendrimeren synthetisiert. Es wurden G0-Dendrimere zugänglich, die auf einer trifunktionalen zentralen Verzweigungseinheit aufbauten. Der wohldefinierte Aufbau zweifach (hetero-) funktionalisierter G1-Dendren und G1-Dendrimere wurde durch eine optimierte Sythese tris-orthogonal geschützter Verzweigungseinheiten ermöglicht. Die Verbindungen, die über selektiv adressierbare funktionelle Gruppen und monodisperse OEGs verfügen ("Caps"), wurden mit Malonsäure- oder Ethylendiamin-Chelatliganden bzw. mit einem Fluoreszenzmarker ausgestattet. Sie konnten über ihre Säuregruppe mittels Amidbindungsknüpfung an die dendritischen Bausteine gebunden werden. Die erhöhte Wasserlöslichkeit der "Caps" war durch die insgesamt 12 Ethylenglykol- Wiederholungseinheiten sichergestellt. Die verwendeten Kupplungs-Protokolle machten die G0-Dendrimere 78, 81, 82, 84 und 115 in sehr guten Ausbeuten und in großer Reinheit zugänglich. Diese Verbindungen besitzen Modellcharakter für dieses pharmakologisch orientierte Projekt. Die G1- Dendrimere 99 und 100 mit Ethylendiamin-Liganden ließen sich in einer quasi konvergenten Synthesestrategie in ebenfalls sehr guten Ausbeuten darstellen. Das Dendrimer 113, das Fluoreszenzmarker und Malonsäure Liganden trägt, war ebensogut zugänglich, wurde allerdings über ein divergentes Verfahren synthetisiert. Die Dendrimere 81 und 113 sind besonders vielversprechend, da sie über freie Malonsäuren verfügen, die eine hydrolytisch reversible Pt2+-Anbindung ermöglichen können. Erste einleitende Experimente zur Komplexierung dieser Dendrimere mit Pt2+ wurden durchgeführt. 1H- und 13C-NMR Spektroskopie, sowie die UV-Spektren der erhaltenen Verbindungen geben Grund zu der Annahme, dass die Platinierung erfolgreich verlaufen ist. Leider verliefen entsprechende 195Pt-NMR spektroskopische Untersuchungen bisher wenig erfolgreich. Aus Cytotoxizitätstests an der humanen Brustkrebszelllinie MCF-7 ließen sich erste, wenn auch nicht allgemeingültige Aussagen über die Struktur/ Wirkungs- Beziehung treffen. So wies erfreulicherweise keines der getesteten Dendrimere eine nachweisbare Cytotoxizität auf. Folglich scheinen weder die Art der verwendeten Oberflächenfunktionalisierung, noch die intrinsische Struktur der Dendrimere beider Generationen dabei eine Rolle zu spielen. Hierin wird ein wichtiges Signal für die Weiterentwicklung der hier beschriebenen Strategie zur Erzeugung neuartiger Wirkstoffträger gesehen.