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Light-induced DNA compaction as part of nonviral gene delivery was investigated intensively in the past years, although the bridging between the artificial light switchable compacting.agents and biodompatible light insensitive compacting agents was not achieved until now. In this paper, we report on light-induced compaction and decompaction of DNA molecules in the presence of a new typeof agent, a multivalent cationic peptidomimetic molecule containing a photosensitive Azo-group as a branch (Azo-PM). Az-o-PM is synthesized using a solid-phase procedure during Which anrazoberizene unit is attached as a side chain to an Oligo(arnidoamine) backbone. We shoW, that within a-certain Tange,of concentrations and under illumination with light of appropriate-wavelengths, these cationic Molecules induce reversible DNA compaction/decompaction by photo-isomerization of the incorporated azobenzene unit between a hydrophobic trans- and 4 hydrophilic cis-conformation, as characterized by dynamic light scattering and AFM measurements. In contrast to other molecular Species used for invasive DNA compaction, such as-widely used azobenzene containing cationic surfactant (Azo-TAR, C-4-Azo-OCX-TMAB), the presented peptidomimetic agent appears to lead to different compleication/compaction mechanisms., An investigation of Ato-PM in close proximity to a DNA segment by means of a molecular dynamics simulation sustains a picture in which Azo-PM acts as a multivalent counterion, with its rather large cationic oligo(amidoamine) backbone dominating the interaction with the double helix, fine-tuned or assisted by the presence" andisomerization state of the Azo-moiety. However, due to its peptidomimetic backbone, Azo-PM should be far less toxic than photosensitive surfactants and might represent a starting point for a conscious design of photoswitchable, biocompatible vectors for gene delivery.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese monodisperser, multifunktionaler Poly(amidoamine) (PAAs). Die Klasse der PAAs ist besonders interessant für eine Anwendung im Bereich der Biomedizin, da sie meist nicht toxisch ist, eine sehr geringe Immunogenizität zeigt und eine erhöhte Zellmembranpermeabilität besitzt. Allerdings ist der Einsatz linearer PAAs bisher limitiert, da ihre Synthese nur den Zugang von hoch-polydispersen Systemen mit einer streng alternierenden oder statistischen Verteilung von Funktionalitäten erlaubt. Es ist daher von großem Interesse diese Polymerklasse durch die Möglichkeit eines sequenzdefinierten Aufbaus und der Integration von neuen Funktionalitäten zu verbessern. Um dies zu ermöglichen, wurden, vergleichbar mit der etablierten Festphasensynthese von Peptiden, schrittweise funktionale Disäure- und Diamin-Bausteine an ein polymeres Träger-Harz addiert. Der sequenzielle Aufbau ermöglicht die Synthese monodisperser PAAs und die Kontrolle über die Monomersequenz. Die Wahl der Monomer-Bausteine und ihrer Funktionalitäten kann dabei für jede Addition neu getroffen werden und entscheidet so über die Sequenz der Funktionalitäten im Polymerrückgrat. Die verwendete Chemie entspricht dabei der Standardpeptidchemie, so dass mit Hilfe eines Peptidsynthese-Automaten die Synthese vollständig automatisiert werden konnte. Die Verwendung spezieller Trägerharze, die bereits mit einem synthetischen Polymerblock wie PEO oder auch mit einem Peptid vorbeladen waren, erlaubt die direkte Synthese von PEO- und Peptid-PAA Blockcopolymeren. Da die hier dargestellten PAAs später auf ihre Eignung als multivalente Polykationen in der Gentherapie getestet werden sollten, wurden zunächst Bausteine gewählt, die den Einbau verschiedener Aminfunktionalitäten ermöglichen. Die Bausteine müssen dabei so gewählt sein, dass sie kompatibel sind mit der Chemie des Peptidsynthesizers und eine quantitative Addition ohne Neben- oder Abbruchreaktionen garantieren. Darüber hinaus ist der Einbau von Peptidsequenzen und Disulfid-Einheiten in die PAA-Kette möglich, die z. B. für einen selektiven Abbau des Polymers im Organismus genutzt werden können. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten PAA-Systeme großes Potenzial als nicht-virale Vektoren für die Gentransfektion bieten. Sie sind nicht toxisch und zeigen Zellaufnahme-Effizienzen von bis zu 77%. Die Gentransfereffizienz ist im Vergleich zu etablierten Polymer-Vektoren zwar noch sehr gering, aber die bisherigen Versuche zeigen bereits eine mögliche Ursache, nämlich die schlechte Freisetzung des Genmaterials innerhalb der Zelle. Eine Lösung dieses Problems bietet jedoch die weitere Modifizierung der PAA-Systeme durch den Einbau von Sollbruchstellen. Diese Sollbruchstellen ermöglichen einen programmierten Abbau des Polymers innerhalb der Zelle und damit sollte die Freisetzung des Genmaterials vom Träger deutlich erleichtert werden. Mögliche Bruchstellen sind z. B. enzymatisch gezielt spaltbare Peptideinheiten oder Disulfid-Einheiten, wie sie bereits als Bausteine für die PAA-Synthese vorgestellt wurden (vergl. Kapitel 4.4). Da nur innerhalb der Zelle ein reduzierendes elektrochemisches Potential besteht, werden z. B. Disulfid-Einheiten auch nur dort gespalten und bieten außerhalb der Zelle ausreichende Stabilität zum Erhalt der Polyplexstruktur. Neben einer Anwendung in der Gentherapie bieten die hier vorgestellten PAA-Systeme den Vorteil einer systematischen Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Polyplexe. Es wurden verschiedene Zusammenhänge zwischen der chemischen Struktur der PAA-Segmente und der Art und Stärke der DNS-Komprimierung aufgezeigt. Die Komprimierungsstärke wiederum zeigte deutlichen Einfluss auf die Internalisierungsrate und damit auch Transfektionseffizienz. Darüber hinaus zeigte sich ein drastischer Einfluss des PEO-Blocks auf die Stabilisierung der Polyplexe sowie deren intrazelluläre Freisetzung bei Zusatz von Chloroquin. Dennoch bleiben aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge noch viele Mechanismen der Transfektion unverstanden, und es muss Aufgabe folgender Arbeiten sein, das Potential der hier eingeführten monodispersen PAA-Systeme weiter auszuloten. So wäre z. B. eine Korrelation der Kettenlänge mit den Parametern der Polyplexbildung, der Zellaufnahme und Transfektionseffizienz von großem Interesse. Darüber hinaus bietet der Einbau von Sollbruchstellen wie kurzen Peptidsequenzen oder den hier bereits eingeführten Disulfid-Einheiten neue Möglichkeiten der gezielten Freisetzung und des programmierten Abbaus, die näher untersucht werden müssen. Neben der Anwendung im Bereich der Gentransfektion sind außerdem andere Gebiete für den Einsatz von monodispersen multifunktionalen PAAs denkbar, da diese kontrollierbare und einstellbare Wechselwirkungen ermöglichen.
Pathogens such as viruses and bacteria use their envelope proteins and their adhesin lectins to recognize the glycan residues presented on the cell surface of the target tissues. This principle of recognition is used in a new electrochemical displacement sensor for the protein concanavalin A (ConA). A gold electrode was first modified with a self-assembled monolayer of a thiolated mannose/OEG conjugate and a ferrocene boroxol derivative was pre-assembled as reporter molecule onto the mannose surface. The novel tracer molecule based on a 2-hydroxymethyl phenyl boronic acid derivative binds even at neutral pH to the saccharides which could expand the application towards biological samples (i.e., urine and feces). Upon the binding of ConA, the tracer was displaced and washed away from the sensor surface leading to a decrease in the electrochemical signal. Using square wave voltammetry (SWV), the concentration of ConA in the sample solution could be determined in the dynamic concentration range established from 38 nmol L-1 to 5.76 mu mol L-1 with a reproducible detection limit of 1 mu g mL(-1) (38 nmol L-1) based on the signal-to-noise ratio (S/N=3) with fast response of 15 min. The new reporter molecule showed a reduced non-specific displacement by BSA and ribonuclease A. The sensor was also successfully transferred to the first proof of principle for the detection of Escherichia coli exhibiting a detection limit of approximately 6 x 102 cells/mL Specificity of the displacement by target protein ConA and E. coli was demonstrated since the control proteins (i.e., BSA and RNaseA) and the control E. coli strain, which lack of type 1 fimbriae, were ineffective. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.