Entwicklung neuer Konzepte für die festphasenunterstützte Kohlenhydratchemie und deren Anwendung in der Parallelsynthese von Oligosacchariden und Glykokonjugaten

Abstract

Die zukünftigen Entwicklungen auf dem Gebiet der Glykobiologie hängen wesentlich von der Verfügbarkeit eindeutig definierter, d.h. synthetisch dargestellter Verbindungen ab. Um Struktur-Wirkungsstudien auch mit Substanzbibliotheken strukturell diverser Oligosaccharide oder Glykokonjugate durchführen zu können, ist daher die Entwicklung effizienter Syntheseprotokolle notwendig, die den einfachen und möglichst automatisierbaren Zugang zu medizinalchemisch relevanten Kohlenhydraten erlauben. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Entwicklung neuer Synthesestrategien für die festphasenunterstützte Kohlenhydratchemie zum parallelisierbaren präparativen Aufbau von Oligosacchariden und Glykokonjugaten. Der erste Teil der Dissertation beschreibt die Entwicklung des TAL-Systemes (Trimellitsäureanhydrid-Linker) als neues Linkersystem der Festphasenchemie in polymeren Gelen. Dieses besteht in der Kombination zweier glykosylierungsbeständiger Schutzgruppen, der Phthalimid- und Benzylgruppe, die sich beide in der Lösungssynthese von Zuckern bewährt haben. Ausgehend von polymerem Phthalanhydrid, dem eigentlichen TAL-Harz, wurden jeweils orthogonale Protokolle zur Immobilisierung und Abspaltung von Aminosubstraten entwickelt und bis zur Anwendbarkeit für die Darstellung von Aminoglykokonjugaten optimiert. Die Produktfreisetzung wurde entweder durch Nukleophile erreicht oder durch eine Zweischrittreaktion von Borhydrid-Reduktion und anschließender Lactonisierung, was dem TAL-System die Funktionalität eines Safety-Catch Linkers verlieh. Im zweiten Teil der Dissertation wurde ein weiteres Konzept der festphasenunterstützten Synthese entwickelt. Hierbei handelt es sich um ein Phasenwechselverfahren, der Hydrophob-unterstützten Phasenwechsel-Synthese (HASP - Hydrophobically assisted switching phase synthesis). Dieses neue Konzept einer Phasenwechselmethode hat den Vorteil, als Hybridstrategie zu jedem beliebigen Zeitpunkt einer Synthese das Arbeiten sowohl in Lösung als auch an fester Phase zu erlauben, da eine Substratanbindung reversibel über einen hydrophoben Marker geschieht. Dieses Konzept wurde mit Dilipiden als Phasenmarkierung umgesetzt, da diese sich wesentlich hydrophober als vergleichbare Monolipide erwiesen. Nach der Ermittlung geeigneter Protokolle für die reversible und quantitative Lipid-Immobilisierung auf RP-18-Silica als Trägermaterial wurde ein Bis-n octadecyl-benzylalkohol-Label als Glykosylierungsanker entworfen. Um die Effizienz der HASP-Strategie zu demonstrieren wurde am dargestellten HASP-Anker eine mehrstufige Oligosaccharid-Synthese durchgeführt. Hierbei wurden jeweils die Glykosylierungsschritte in Lösung und die Schutzgruppenmodifikationen am Polymer als Festphasenschritte durchgeführt. So gelang beispielsweise der zwölfstufige HASP-Aufbau eines Pentasaccharides mit durchschnittlich 93.6 % pro Schritt in exzellenten Ausbeuten, was die Leistungsfähigkeit der gefundenen Methode deutlich unterstreicht. Der dritte und zentrale Teil der Dissertation beschreibt die parallele Anwendung der HASP-Methode auf die Darstellung von strukturellen Varianten eines inflammatorisch aktiven Rhamnolipides zur Klärung der Frage nach dessen Wirkprinzip. Als Glykodilipide verfügen die Zielverbindungen jeweils über eine geeignete Dilipid-Struktur, deren Hydrophobizität als intrinsische Phasenmarkierung zur Anreicherung in einer hydrophoben Phase verwendet wurde. Maßgeschneiderte Trichloracetimidat-Rhamnosedonoren und eine Vielzahl von enantiomerenreinen Lipidbausteinen wurden im weiteren Vorgehen dargestellt und mittels der HASP-Strategie zur Synthese der anvisierten Rhamnolipidbibliothek eingesetzt. Die repetitiven HASP-Schritte erfolgten wiederum mit nahezu quantitativen Ausbeuten. Die erfolgreiche Anwendung des HASP-Verfahrens für die hocheffiziente Parallelsynthese von sauberen Verbindungen dieser Klasse von Glykolipiden unterstreicht somit die Leistungsfähigkeit der gefundenen Phasenmarkierungs-Methode. Abschließend wurde die fokussierte Rhamnolipidbibliothek immunologisch und biophysikalisch profiliert. Mittels TNFalpha-Assays konnten inflammatorisch sehr aktive synthetische Rhamnolipide identifiziert und Struktur-Wirkungs-Aussagen getroffen werden. Mittels FRET-Messungen mit fluoreszenzmarkierten Liposomenmenbranen konnte ein unspezifischer Wirkmechanismus der stark detergensartigen Rhamnolipide ausgeschlossen werden. Da die gefundenen strukturellen Anforderungen an das Rhamnolipidsubstrat sehr restriktiv waren, deutete dies auf ein selektives Wirkprinzip hin, das maßgeblich vom Lipidmusters abhängt. Neue Einblicke in die Modulation der Immunantwort durch die Klasse der kleinen Rhamnolipide konnten so beigesteuert werden.

Future progress in the field of glycobiology depends crucially on the availability of exactly defined, i.e. synthetically prepared compounds. In order to open access to structure-activity-studies of compound collections of structurally diverse oligosaccharides or glycoconjugates the development of efficient protocols for synthesis is required. Thus, the straightforward approach leading to carbohydrates of medicinal significance can be automated. Under consideration of these requirements, the thesis at hand deals with the development of new strategies for the polymer-supported synthesis of carbohydrates for the parallel construction of oligosaccharides and glycoconjugates. The first part of the thesis describes the development of the TAL-system (trimellitic anhydride linker) as a new linker for solid-phase chemistry in polymer gels. It consists in the combination of two protective groups which are stable under glycosylation conditions, the phthalimide- and the benzyl-type protecting groups which both proved to be of value in the solution synthesis of sugars. Starting from polymer supported phthalic anhydride, appropriate orthogonal protocols for immobilization and product release of amines were developed and optimized for the intended purpose of preparing aminoglycoconjugates. Product release was achieved by nucleophiles or by making use of a reaction sequence of borohydride reduction and subsequent lactonization, which adds the properties of a safety-catch linker to the TAL-system. In the second part of the thesis a further strategy of solid-supported synthesis was developed, the hydrophobically assisted switching phase (HASP) synthesis, a phase-labeling technique. This new concept in the field of phase-trafficking enables a chemist to both, perform a synthesis in a solid-supported manner and in solution at any point of a multistep synthesis, since the immobilization of compounds is achieved reversibly by a hydrophobic label. The HASP-strategie was realized with dilipids as phase labels which were found to be considerably more hydrophobic than comparable monolipids. After suitable protocols for the reversible and quantitative immobilization to RP-18 silica as carrier material were developed, a bis-n octadecyl benzyl alcohol label was designed as a glycosylation anchor. In order to demonstrate the efficiency of HASP-synthesis, this anchor compound was employed for multistep oligosaccharide synthesis. Glycosylation steps were performed in solution whilst all protective group removal steps were conducted solid-supported. The HASP-synthesis of a pentasaccharide (12 consecutive steps) was achieved with an excellent yield of 93.6 % per step, which clearly emphasizes the efficiency of the new method . The third and central part of the thesis describes the parallel application of HASP synthesis for the preparation of structural variations of an inflammatoric active rhamnolipid in order to clarify its mode of action. Being glycodilipids, these target compounds bear a dilipid-structure adapted as an intrinsic phase label for the immobilization in a hydrophobic phase. Tailor-made trichloroacetimidate rhamnose-donors and a multitude of enantiomerically pure lipid building blocks were prepared and devoted in the construction of a focused library of rhamnolipids by means of the HASP-method. The repetitive HASP steps could again be conducted in nearly quantitative yields. Thus, the successful application of the HASP-strategy allowing the highly efficient parallel synthesis of pure glycolipids definitely demonstrates the capability of the newfound phase labelling method. Completing the thesis, the last chapter deals with the immunological and biophysical characterization of the focused rhamnolipid library. Very active non-natural occuring inflammatoric rhamnolipids could be discovered by TNFalpha-assays and structure-activity-conclusions were made. Performing FRET-measurements, a non-specific mode of action of the highly detergent-like rhamnolipids could be excluded. The discovered structural requirements for inflammatoric response proved to be very restrictive indicating a rather selective mode of action depending crucially on the lipid-moiety. Thus, new insights to the modulation of the immune system by the class of small rhamnolipids could be contributed.