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Synthese und Charakterisierung ECM-spezifischer Polysaccharide

Dr. Matthias Schnabelrauch, PD Dr. Jürgen Schiller, Dr. Stephanie Möller, Dr. Jana Becher, Dr. Jürgen Weisser, Dipl.-Ing. Kathrin Nimptsch, Dr. Thomas Riemer

Sulfatierte Glykosaminoglykane (GAG) der extrazellulären Matrix (ECM) sind in der Lage mit Mediatoren (Wachstumsfaktoren, Zytokine) in vivo spezifische Wechselwirkungen einzugehen und auf diese Weise potentiell das Einheilen von Implantaten oder zellulärer "Scaffolds" (Zellen in einer Polymermatrix) in das Gewebe zu fördern. Natürlich vorkommende GAG und davon abgeleitete, definierte Strukturanaloga sind daher für ein gezieltes "Matrixengineering" von besonderem Interesse. Im Projekt sollen (1) Synthesewege für die gezielte chemische Funktionalisierung ausgewählter GAG, die unter Schonung der Polymerketten zu einer möglichst regioselektiven Einführung von unterschiedlichen funktionellen Gruppen in die Polysaccharidgerüste führen, gefunden und (2) die synthetisierten Derivate möglichst eingehend chemisch und strukturell charakterisiert werden. Einen Überblick über die geplanten Arbeiten zeigt Abbildung 1:

Abbildung 1: Schema der geplanten synthetischen Arbeiten zur gezielten Funktionalisierung von GAG. Diese werden nach eingehender Charakterisierung den kooperierenden Teilprojekten zur Verfügung gestellt. Neben neuen Syntheseverfahren sollen auch Verfahren zum gezielten Abbau der GAG-Derivate entwickelt werden, da eine detaillierte massenspektrometrische und NMR-spektroskopische Charakterisierung der hochmolekularen GAG kaum möglich ist.

Es ist vorgesehen, effiziente Syntheserouten zur regioselektiven Einführung von zusätzlichen anionischen (Carboxylat-, Sulfatgruppen) und kationischen (Aminogruppen) Substituenten sowie von haftvermittelnden und vernetzungsfähigen Gruppen in sulfatierte GAG vom Chondroitin- bzw. Dermatansulfat-Typ zu entwickeln. Durch Auswahl und Verwendung von Derivatisierungsreagenzien mit abgestufter Reaktivität, möglichst "nebenreaktionsarmen" Syntheseschritten sowie die Etablierung geeigneter Schutzgruppenstrategien werden GAG-Derivate in definierten Molekulargewichtsbereichen mit variablen Substitutionsmustern erhalten. Mit der Derivatisierung sollen gleichzeitig über die Einführung geeigneter funktioneller Gruppen (z. B. vom Phosphonattyp) in die Biopolymere die Haftung der synthetisierten GAG auf Titanoberflächen optimiert und die auf diese Weise beschichteten Oberflächen umfassend charakterisiert werden. Ein weiteres Syntheseziel besteht in der Generierung von Copolymerstrukturen auf der Basis niedermolekularer, vernetzbarer GAG-Derivate (z. B. Hyaluronsäure/Dermatansulfat), die als Strukturanaloga für das auf Grund seiner Komplexbildung mit Mediatoren besonders interessante, aber schwer zugängliche, Heparansulfat (HES) dienen können. Die in vitro-Zytokompatibilität der synthetisierten GAG-Derivate wird an ausgewählten Zellkulturen bestimmt.

Zusätzlich zu etablierten Verfahren der Polymeranalytik (z. B. Gelfiltration, Viskosimetrie) sollen die synthetisierten GAG vor allem mittels Lösungs-NMR- und MS-Verfahren charakterisiert werden. Eine zufriedenstellende spektrale Auflösung der hochmolekularen GAG kann allerdings lediglich mittels 13C-NMR erhalten werden, während gut aufgelöste 1H-NMR-Spektren - zumindest in einer Dimension - nicht zugänglich sind. Die Detektion der intakten Polymere mittels MS-Verfahren ist ebenfalls nicht möglich. Deshalb ist zur genaueren Charakterisierung ein enzymatischer oder chemischer Abbau (z. B. durch Ozonolyse) notwendig, wobei definierte Oligosaccharide resultieren, die sowohl zur Charakterisierung der Wiederholungseinheiten der GAG wie auch für Bindungsstudien mit ausgewählten Mediatoren verwendet werden. Während ein Abbau der in der natürlichen ECM vorkommenden GAG durch Saccharidasen (z. B. Chondroitinase oder Hyaluronidase) leicht möglich ist, ist der Abbau "künstlich" modifizierter GAG jedoch weitaus problematischer. Deshalb sollen zuverlässige biochemische / chemische Methoden entwickelt werden, welche die Gewinnung definierter Oligosaccharide, auch von den neusynthetisierten GAG-Derivaten, im Milligramm-Maßstab erlauben.

Publikationen

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