Rigide, multivalente Grundgerüste auf Adamantanbasis für die Zelloberflächenerkennung

Abstract

Ziel dieser vorliegenden Arbeit war es multivalente Grundgerüste auf Adamantanbasis für die Konjugation mit Zelloberflächenbindern zu entwickeln. Bei dem Entwurf der Adamantan-Grundgerüste haben wir uns an natürlichen Systemen orientiert und dafür zwei Bausteine synthetisiert, das symmetrisch tetrasubstituierten Kernfragment und die unsymmetrisch tetrasubstituierten Kopffragmente. Als Kernfragmente wurden erfolgreich zwei Tetracarboxyadamantan-Derivate synthetisiert. Es konnten hierfür zwei neue Syntheserouten entwickelt werden, mit deren Hilfe durch Oxidation von Aryladamantanen mittels RuO4 die gewünschte Carbonsäure in wenigen Schritten im Multigramm-Maßstab dargestellt werden konnte. In der vorliegenden Arbeit wurden einige effiziente Synthesen zu C3-symmetrischen Adamantangerüsten beschrieben, die in verschiedenen Bereichen wie der molekularen Erkennung oder den Materialwissenschaften genutzt werden können. Es wurden mehrere Adamantanderivate mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen hergestellt. Alle Derivate sind im Multigramm-Maßstab zugänglich und können mit verschiedenen Naturstoffen wie Kohlenhydraten oder Peptiden verknüpft werden. Um eine Konjugation mit Effektormolekülen zu ermöglichen wurden die C3-symmetrischen Grundgerüste mit einer zusätzlichen Aminogruppe versehen. Um die Multivalenzeffekte in biologischen Systemen studieren zu können, wurden zum Vergleich mit den trivalenten Gerüsten auch monovalente und divalente Adamantangerüste mit verschiedenen Alkylseitenketten dargestellt. Eine weitere Möglichkeit die Rigidität, Größe und Geometrie der multivalenten Liganden zu verändern besteht in der Einführung von Spacern. Hierzu wurden zum einen die rigiden, wasserlöslichen Polypiperidin-Spacer und die flexiblen, wasserlöslichen Polyethylenglykol-Spacer in verschiedenen Längen erfolgreich synthetisiert. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. John Frangioni an der Harvard Medical School konnten unsere multivalenten Grundgerüste erfolgreich für die Zelloberflächen-erkennung von Prostatakrebszellen genutzt werden. Durch Verknüpfung mit drei spezifischen PSMA-Liganden und zwei verschiedenen Markersystemen (NIR-Fluoreszenzmarker oder 99mTc-Marker) haben wir potente Liganden im picomolaren Bereich für die Krebszellenmarkierung erhalten. Durch Multimerisierung des PSMA-Liganden kann so zum einen die Affinität um den Faktor 20 gesteigert werden und zum anderen die Pharmakokinetik verbessert werden, da der multivalente Ligand im Gegensatz zu dem monovalenten Liganden auch in biologischen Medien wirksam ist. Ein weiterer Einsatzbereich ergab sich in der Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Gilles Guichard am CNRS in Straßburg. So haben erste Untersuchungen ergeben, dass der multivalente Ligand auf Adamantanbasis nach Verknüpfung mit spezifischen Peptideinheiten an TNF-Rezeptoren binden kann und dadurch Apoptose induziert. Somit konnte gezeigt werden, dass durch Multimerisierung mittels unser rigiden Adamantangerüste nützliche Liganden mit tripodaler Anordnung für die Erkennung von Zelloberflächenepitope enstehen. Unsere Adamantangerüste haben einen modularen Charakter, da sie mittels Standardtechniken wie z. B. der Peptidkupplung mit beliebigen funktionellen Liganden und Effektormolekülen verknüpft werden können. The aim of this project was to synthesize adamantane scaffolds especially designed for the assembly of multivalent binders on cell surface epitopes. The resulting novel multivalent conjugates are miniaturized analogs of natural systems such as virus particles. For the assembly, symmetrical central fragments and unsymmetrically tetrasubstituted head groups were synthesized. The synthesis of two tetra carboxylic acids as central fragments could be realized. Efficient syntheses of rigid C3 symmetric scaffolds based on an adamantane backbone are described in this work. Threefold rotational symmetry plays an important role in various artificial and natural molecular recognition systems. In this work several adamantane scaffolds with suitable anchor groups for the conjugation of functional molecules were synthesized. The scaffolds are available in multigram quantities and have been designed for conjugation to various natural products such as carbohydrates and peptides. They are thus valuable for the construction of receptor ligands or catalysts with threefold geometry. For conjugation with an effector molecule the C3-symmetrical adamantane derivatives were synthesized with an additional amine group. To study the multivalent effects in biological media, monovalent and divalent adamantane scaffolds were synthesized for comparison with trivalent ligands. Two monovalent derivatives with one carboxy group and one amine group were synthesized and a divalent adamantane scaffold with two carboxylic acids and one amine group were realized. Another possibility to vary the rigidity, height and geometry of multivalent ligands is the introduction of spacer. We realized the synthesis of the rigid, rodlike polypiperidin spacers and the flexible polyethyleneglycol-spacers with different length. We limited our efforts to water soluble derivatives to assure the solubility of our hydrophobic adamantane scaffolds for in vitro and in vivo assays. In cooperation with the group of Prof. John Frangioni of the Harvard Medical School we used our multivalent scaffolds for cell surface recognition of prostate cancer cells. By conjugation of three specific psma-ligands and a marker system (NIR-labelled conjugates or radio tracer with 99mTc) to our aminoadamantane carboxylic acid, we were able to create potent picomolar cell surface binders. By trimerization the affinities are increased by a factor of 20 and the trimeric ligand show almost the same binding affinities to LNCaP cells in two different buffer systems and even in serum. This stands in high contrast to the monomeric derivatives. In cooperation with the group of Gilles Guichard of the CNRS in Strasbourg other applications have been established. Early studies show that the multivalent scaffold based on adamantane, conjugated to specific peptides, bind to TNFRs and can induce apoptosis. Our adamantane based multimerization platform has a modular character and can be conjugated to any contrast agent or cytotoxic agent via standard peptide coupling techniques. We suggest that the adamantane scaffold might be used more generally for affinity maturation of small molecules targeting cell surface binding epitopes.