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Titel: Metallkatalysierte chemische Aktivierung für medizinische und biologische Anwendunge
Autor: Völker, Timo
Weitere Beteiligte: Meggers, Eric (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2018
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2018/0086
DOI: https://doi.org/10.17192/z2018.0086
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2018-00868
DDC: 540 Chemie
Titel(trans.): Metal catalyzed chemical activation for medical and biological applications

Dokument

Schlagwörter:
Bioorthogonale Reaktion, chemische Aktivierung, Ruthenium-Komplex, bioorthogonal reaction, chemical activation, ruthenium complex

Zusammenfassung:
In der chemischen Biologie gibt es eine große Nachfrage nach molekularenWerkzeugen, die Messungen oder Manipulationen von biologischen Systemen ermöglichen. Solche Technologien können dabei helfen die biochemischen Prozesse von Lebewesen besser zu verstehen sowie Therapien für die Humanmedizin oder Methoden für die Biotechnologie zu entwickeln. Zu diesem Werkzeugkasten der chemischen Biologie wurden vor kurzem, zusätzlich zu den etablierten bindungsknüpfenden Ligationsreaktionen wie der Klick-Reaktion, bindungsbrechende Reaktionen hinzugefügt. Infolge eines Bindungsbruchs können Schutzgruppen von Molekülen entfernt werden (Eng.: uncaging) und dadurch die ursprüngliche Verbindung sowie deren initiale biologische/chemische/physikalische Aktivität wieder hergestellt werden. Solche Aktivierungsreaktionen beschränkten sich einige Zeit auf photosensitive Gruppen. In neueren Arbeiten wurde gezeigt, dass diese Aktivierung nicht nur mit Hilfe von Licht möglich ist, sondern auch mit molekularen Aktivatoren in einer sogenannten chemischen Aktivierung. Dabei kann der Bindungsbruch stöchiometrisch mit organischen Molekülen oder aber auch katalytisch mit Metallkomplexen durchgeführt werden. Für eine solche bioorthogonale, katalytische Aktivierung entwickelt die Arbeitsgruppe von E. Meggers seit 2006 potente Katalysator-Substrat-Paare bestehend aus Ruthenium- Komplexen und Alloc-geschützten Aminen. In der vorliegenden Dissertation wird zu Beginn beschrieben, wie die katalytische Effizienz der von E. Meggers entwickelten Ruthenium-Komplexe durch Ligandenmodifikationen weiter optimiert werden konnte. Die neuen Komplexe des Typs [CpRu(R-HQ)(Allyl)]PF6 (HQ = 8-Hydroxychinolinat) und speziell das 5-Methylester-Derivat zeigten die größte Effizienz in der Aktivierung Alloc-geschützter Amin-Substrate, sodass unter biologisch relevanten Bedingungen eine siebenfach größere Produktivität sowie eine dreifach gesteigerte Wechselzahl erreicht werden konnte. Der 5-Methylester-Komplex ist damit sowohl der produktivste, als auch mit einer Geschwindigkeitskonstante k2 von 580 m−1s−1 der schnellste bioorthogonale Metallkatalysator für chemische Aktivierungsreaktionen. Der Komplex erreichte nicht nur in wässriger Lösung eine hohe Aktivität, sondern auch in Blutserum und in menschlichen Zellkulturen. Neben verschiedenen Fluorophoren wurde zudem das Krebsmedikament Doxorubicin aktiviert und als Folge ein 10-fach effizienteres Zellsterben beobachtet. Zur Optimierung der katalytischen Effizienz und Bioorthogonalität wurden neben der Modifikation des Ligandengerüsts auch ausgewählte Komplexe in Makrostrukturen wie Proteine, Nanopartikel oder die zelluläre Lipidmembran eingebunden. Abschließend wird in dieser Arbeit die Entwicklung von reizsensitiven Katalysatoren vorgestellt. Dazu wird einerseits ein photosensitiver Komplex beschrieben, der unter physiologischen Bedingungen inaktiv ist und erst nach Lichteinwirkung Substrate umsetzt. Andererseits wird das Konzept eines Komplexes diskutiert, der durch die Protonenkonzentration geschaltet werden kann, sodass unter anderem die Messung des pH-Wertes in biologischen Systemen möglich wird.

Summary:
In chemical biology, there is a large demand for molecular tools that allow a measurement or manipulation of biological systems. Such technologies can help to understand biochemical processes of living organisms as well as to develop medical therapies or methods for biotechnology. Recently, bond-breaking reactions were added to this chemical biology toolbox, in addition to the well established bond-forming ligation reactions like the clickreaction. A protecting group can be removed as a consequence of a bond cleavage (uncaging), restoring thereby the original compound and its initial biological/chemical/physical activity. For some time, these uncaging reactions were limited to photoreactive groups. In more recent work it was shown that it is possible to perform such an activation reaction not just with the aid of light but also with molecular actors in a so called chemical activation. In the course of this uncaging the bond cleavage can occur either in a stoichiometric way with organic molecules or catalytically with a metal complex. For such a bioorthogonal, catalytic uncaging reaction the group of E. Meggers has been developing potent catalyst-substrate-pairs consisting of ruthenium complexes and alloc-protected amines since 2006. In the beginning of the dissertation at hand, it is discussed how the catalytic efficiency of the ruthenium complexes developed by E. Meggers could be further optimized through ligand modifications. The new complexes of the type [CpRu(R-HQ)(allyl)]PF6 (HQ = 8-Hydroxyquinolinate) and especially the 5-methyl ester derivative showed the highest efficiency in the uncaging of alloc-protected amine substrates. As a result, a 7-fold greater turnover number and a 3-fold increase in the turnover frequency was achieved under biologically relevant conditions. The 5-methyl ester complex is not just the most productive but also with a rate constant k2 of 580 m−1s−1 the fastest metal catalyst for chemical activation. The complex reached a high activity not only in aqueous solution but also in blood serum and in human cell cultures. Besides different fluorophores the anti-cancer drug doxorubicin was also uncaged, resulting in a 10-fold reduction of cellular viability. For the optimization of the catalytic efficiency and bioorthogonality not just the ligand scaffold was modified but also selected complexes were implemented into macrostructures like proteins, nanoparticles or the cellular lipid membrane. In addition, the development of stimulus responsive complexes is presented at the end of this work. On the one hand, a photoreactive complex is described which is inactive under physiological conditions and only under exposure to light is able to turn over substrates. On the other hand, the concept of a complex is discussed that can be switched by the proton concentration, resulting for example in the possibility to measure the pH value of biological systems.


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