Surface Modification of Spherical Particles with Bioactive Glycopolymers

Titelangaben

Pfaff, André:
Surface Modification of Spherical Particles with Bioactive Glycopolymers.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2011 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Glycopolymers containing different kinds of carbohydrates were grafted from various spherical templates, whereby the glycopolymer chains were prepared via controlled radical polymerization techniques, namely ATRP and RAFT. A library of carbohydrate-displaying spheres and their interaction with lectins is presented. Glucose- or acetylglucosamine-displaying nanospheres were prepared via the combination of emulsion polymerization and photo-induced conventional polymerization or ATRP, respectively. The particles were able to stabilize gold nanoparticles to form catalytically active hybrid particles that were capable of reducing p-nitrophenol in the presence of NaBH4. Investigation of the interactions between acetylglucosamine-displaying polymers and a series of lectins revealed a selective binding towards the lectin wheat germ agglutinin (WGA) whereby the binding affinity of the protein to the polymer brushes was found to be magnitudes higher than to acetylglucosamine unimers. Lectin precipitation experiments revealed that 1 mg of glycopolymer brush was able to precipitate 0.5 mg of WGA. Surface modification of poly(divinylbenzene) microspheres was performed using two different glycomonomers and various types of grafting techniques. “Grafting through” of a mannose-displaying glycomonomer yielded core-shell particles with densely grafted glycopolymer arms that were found to show no binding affinity towards a series of lectins. The nexus of the carbohydrate moiety to the polymer backbone seemed to hamper the key-lock interaction of the sugar and protein. Grafting experiments of a galactose-displaying glycomonomer yielded particles with grafting densities ranging from 0.20 to 0.35 chains per nm2 depending on the utilized grafting approach. These particles showed a selective binding towards the lectin Ricinus communis agglutinin (RCA120), whereby each grafted glycopolymer chain was capable of binding to 0.7 molecules of RCA120. Furthermore, the particles were found to have a superior binding affinity towards RCA120 in comparison to microspheres covered with galactose unimers. The preparation of core-shell particles consisting of a poly(divinylbenzene) micro-sphere core and a shell of highly branched glycopolymers was achieved via self-condensing vinyl copolymerization of an initiator-monomer and acetylglucosamine-displaying glycomonomer. It was found that an increase in incorporated inimer, which results in more compact and branched structures, directly led to an increase in particle coverage (1.6 – 2.4 wt.-%). Carbohydrate-lectin binding studies revealed that the incorporation of approximately 50% of the hydrophobic inimer led to an increase in adsorption of 26% compared to a less branched glycopolymer and 16% compared to linear glycopolymer grafted particles. These results indicated that the three-dimensional glycopolymer architecture directly affects the strength of the key-lock interaction of sugar and sugar-binding protein. Studies on the interactions between glycopolymers and lectins were extended towards the cellular uptake of fluorescent, magnetic galactose-displaying core-shell nanospheres. These particles were prepared by grafting a galactose-displaying glycocopolymer onto silica-encapsulated iron oxide particles via thiol-ene chemistry. Due to the carbohydrate-containing shell, these particles could be localized not only in the cytoplasm but also in the nucleus of human lung cancer cells. This cell line expresses a galactose-binding protein which indicates that carbohydrate-lectin interactions are responsible for the uptake of the functionalized particles. In general, these studies show the capability of utilizing carbohydrate-lectin interactions for potential applications like lectin precipitation and cellular imaging.

Abstract in weiterer Sprache

Glykopolymere unterschiedlicher Zuckerarten wurden auf verschieden sphärische Template aufgepfropft, wobei der Aufbau der Glykopolymerketten mittels kontrolliert radikalischen Polymerisationstechniken bewerkstelligt wurde, namentlich ATRP und RAFT. Eine Reihe von zucker-modifizierten Nano- und Mikrokugeln und deren Wechselwirkungen mit Lektinen wird hier vorgestellt. Glucose- oder Acetylglucosamin-modifizierte Nanokugeln wurden durch die Kombination von Emulsionspolymerisation und photoinduzierter konventioneller Poly-merisation oder ATRP hergestellt. Diese Partikel waren in der Lage Goldnanopartikel in Lösung zu stabilisieren, was zu katalytisch aktiven Hybridpartikeln führte, welche im Stande waren p-Nitrophenol in Gegenwart von NaBH4 zu reduzieren. Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Polymeren mit Acetylglucosaminresten und einer Reihe von Lektinen offenbarten eine selektive Anbindung an das Lektin Weizenkeim-Agglutinin (WGA), wobei sich herausstellte, dass die Bindungsaffinität des Proteins zu den Polymerbürsten weit höher ist als zu einzelnen Acetylglucosamin-Molekülen. Lektin-Fällungsexperimente offenbarten, dass 1 mg Glykopolymerbürsten in der Lage sind 0,5 mg des Lektins WGA zu fällen. Die Oberfläche von Poly(divinylbenzol)-Mikrokugeln (PDVB) konnte mit zwei unterschiedlichen Glykomonomeren mittels verschiedener Pfropftechniken modifiziert werden. Die “Grafting through” Methode wurde angewandt um ein Mannose-beinhaltendes Glykomonomer aufzupropfen um Kern-Schale Partikel mit hoher Pfropfdichte zu erhalten. Hierbei zeigten die aufgepfropften Glykopolymerketten keine Bindungsaffinität zu einer Reihe von Lektinen auf. Die Verknüpfung der Zuckergruppe an das Polymerrückgrat verhindert in diesem Fall die Schlüssel-Schloss Wechselwirkung zwischen Zucker und Protein. Pfropfexperimente eines Galaktose-beinhaltenden Glykomonomeren führten zu Partikeln mit Pfropfdichten von 0.20 bis 0.35 Ketten pro nm2 in Abhängigkeit der verwendeten Pfropfmethode. Diese Partikel zeigen eine selektive Anbindung an das Lektin Ricinus communis Agglutinin (RCA120), wobei jede Glykopolymerkette 0.7 RCA120 Moleküle binden konnte. Im Vergleich zu Partikeln welche mit einzelnen Galaktosemolekülen versehen sind, zeigten Glykopolymer-gepfropfte Partikel eine überlegene Bindungsaffinität zu RCA120. Die Herstellung von Kern-Schale Partikeln bestehend aus PDVB-mikrosphärischen Kernen und einer Schale aus hochverzweigten Glykopolymeren konnte mittels selbst-kondensierender Vinyl-Copolymerisation einens Initiator-Monomers und Acetylglucosamin-enthaltenden Glykomonomers erzielt werden. Eine Erhöhung des Anteils des eingebauten Inimers führt zu kompakteren und stärker verzweigten Strukturen, was eine höhere Bedeckung der Partikel begünstigt (1.6 – 2.4 wt.-%). Zucker-Lektin-Bindungsstudien offenbarten, dass ein Einbau von ungefähr 50% des hydrophoben Inimers zu einer Erhöhung der Proteinadsorption von 26% im Vergleich zu einem schwächer verzweigten Glykopolymer und 16% zu Partikeln welche mit linearen Glykopolymeren gepfropft wurden führt. Diese Ergebnisse deuten an, dass die dreidimensionale Glykopolymer-Architektur direkte Auswirkung auf die Schlüssel-Schloss-Wechselwirkung von Zucker und Zucker-bindendem Protein hat. Die Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Glykopolymeren und Lektinen wurden auf die Aufnahme von fluoreszierenden, magnetischen Galaktose-beinhaltenden Kern-Schale-Nanokugeln in Zellen ausgeweitet. Diese Partikel wurden durch die Aufpfropfung von Galaktose-beinhaltenden Glykopolymeren auf mit Silica verkapselten Eisenoxid-Partikeln mittels Thiol-En-Chemie erhalten. Aufgrund der zuckerhaltigen Schale konnten diese Partikel nicht nur im Zytoplasma sondern auch im Zellkern von menschlichen Lungenkrebs-Zellen lokalisiert werden. Da diese Zelllinie ein Galakose-bindendes Protein exprimiert, kann darauf geschlossen werden, dass Zucker-Lektin Wechselwirkungen für die Aufnahme der funktionalisierten Partikel verantwortlich sind. Diese Studien deuten das hohe Potential an Zucker-Lektin Wechselwirkungen für mögliche Anwendung wie die Lektinfällung oder die Darstellung von Zellen zu nutzen.