Synthese von Lipiden für die liposomale Gentransfektion

Abstract

Eine sehr viel versprechende Methode um bestimmte Erbkrankheiten und Krebs zu behandeln stellt das Einschleusen von therapeutischen Genen in bestimmte Zellen oder Gewebe dar. Die Entwicklung effizienter und sicherer viraler und nicht-viraler Gentransfersysteme spielt eine zentrale Rolle in der gentherapeutischen Forschung. Besonders geeignete nicht virale Gentransfersysteme sind kationische Liposomen, da sie sich auf einfachem Wege gut reproduzierbar herstellen lassen. Sie lösen keine spezifische Immunantwort aus und sind in der Lage, DNA-Moleküle unterschiedlicher Größe zu transfizieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine große Anzahl an Verbindungen synthetisiert und ihre Transfektionseigenschaften untersucht. Als wesentliche Strukturmerkmale beinhalten die dargestellten Verbindungen hydrophobe Alkylketten, die via Amidbindungen entweder direkt an eine Amino-Kopfgruppe oder unter Verwendung eines Spacers an positiv geladene Aminosäuren gebunden sind. Der hydrophobe Teil der Moleküle wurde ausgehend von Malonsäureestern, Glycerol, Pentaerythritol und Tris(hydroxymethyl)aminomethan dargestellt. Unter Verwendung unterschiedlicher Schutzgruppenstrategien wurden diese Verbindungen selektiv alkyliert. Aufgrund der Struktur der Ausgangsverbindungen verfügten die alkylierten Moleküle über ein bis zwei freie funktionelle Gruppen. Das Syntheseschema ist erweiterbar und es lassen sich Verbindungen mit unterschiedlicher Ladung, Spacer- und auch Kettenlänge darstellen. Die physikalischen Eigenschaften der synthetisierten Lipide wurden durch Monoschichtuntersuchungen an der Langmuir-Filmwaage näher untersucht. Abschließend wurde die Transfektionseffizienz und die Zytotoxizität der Verbindungen untersucht. Weiterhin wurde die Stabilität und Größe der Liposomen bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die dargestellten Lipide in Bezug auf ihre einfache Herstellung, ihre Effizienz und Verträglichkeit gut für die Gentransfektion geeignet sind.

Delivering genes into cells or tissues is a very promising tool in treatment of genetic diseases and cancer. In the area of gene therapy, the investigation is focused on the development of efficient viral and nonviral transfection vectors. Among nonviral vectors, cationic liposome mediated transfection holds considerable promise for its (a) reproducibility and simplicity in preparation, (b) nonimmunogenic nature, and (c) efficiency in forming stable complexes even with large DNA. A number of lipids were synthesized and their transfection efficiencies were tested with success. The key structural elements of these transfection lipids include the presence of a hydrophobic group either directly linked to an amino headgroup or connected by a spacer molecule to a positively charged amino acid via an amide bond. The hydrophobic molecule parts were synthesized starting from four different compounds: malonic acid ester, glycerol, pentaerythritol and tris(hydroxymethyl)aminomethan. In general, these molecules were selectively alkylated with long chain alkylhalides using a blocking group strategy. On the basis of the starting material there are one or two free functional sites left after the alkylation process. The polyamine building blocks, the spacer or an amino acid were coupled to these free sites using peptide-coupling chemistry. The synthetic scheme can easily be extended to give lipids of different charge, spacer or lipid chain length. The synthesized lipids were characterized by monolayer investigation including film balance measurements. Finally transfection efficiency and cellular damage were characterised, size and stability of the liposomes were determined. It could be shown, that the lipids are particularly suitable for gene transfection with respect to simplicity of preparation, efficiency and lack of specific immune response.