Terminally modified alginates as universal tool for its bi-functionalization
Description
Full text not available
Abstract
Alginat er en viktig polysakkarid med et bredt bruksåmråde innen industri og forskning på grunn avdets egne egenskaper. Disse egenskapene inkluderer evne til å lage gel, øke viskositet og løse opp etgelnettverk. Det har vært økende interesse i å tilføye nye funksjoner uten å svekke dets egne egenskaper.Alginat har flere kjemiske grupper tilgjengelig for modifisering, men end-modifisering er et optimaltalternativ.
I den første delen av oppgaven, alginat oligomerer ble funksjonalisert på sin reduserende ende ved hjelpav en amineringsreaksjon og en one-pot reduktiv aminering ved bruk av pikolin boran som et ikke-giftigreduksjonsmiddel. Produktene ble renset på Size-Exclusion Chromatography (SEC), og dannelsen avkovalent binding ved konjugering ble verifisert av Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy.End-funksjonalisering av guluronat oligomerer med et dioksyamin og et dihydrazid linker molekylresulterte i fullstendig reduksjon med dannelse av stabile sekundære aminer. Reaksjoner med beggelinkerne førte til høy produktutbytte, men noe lavere produktutbytte (72 %) ble estimert ved konjugering med dihydrazidet sammenlignet med dioxyaminet (95 %). Oksyamin-funksjonalisert mannuronatoligomerer ble fremstilt ved amineringsreaksjon med og uten picolin boran. Aminering uten pikolinboran førte til dannelse av acykliske produkter, (E)- og (Z)-oksimer, med 100% utbytte. To strukturerav hver isomer ble identifisert fra NMR spektra. Med reduksjonsmiddel tilstede, sekundære aminer bledannet med 100% utbytte. Forskjellen i reduktiv ende reaktivitet mellom guluronat og mannnuronatoligomerer ble funnet basert på reaksjonstiden brukt for fullstendig reduksjon med dioxyaminet, nemlig96 timer for guluronat og 24 timer for mannuronat.
I den andre delen av studien, et fluoroformolekyl ble konjugert med oligoguluronat, OligoG CF-5/20(AlgiPharma AS), i en to trinns protokoll. Først, OligoG CF-5/20 ble konjugert med oksyamin gruppenpå et polyetylen glykol (PEG)-linker molekyl i en one-pot reduktiv aminering. Deretter, PEG-linkerenble konjugert med alkyn-funksjonalisert fluorofor i en aklyn/azid kopper-fri klikk-reaksjon. Fluoroformerket OligoG CF-5/20 ble anvend til å "coate" kitosan-baserte nanopartikler. Analysen fra Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) viste tilstedeværelse av fluoroserende populasjoner av nanopartikler.Dette viser vellykket coating og retensjon av alginat evne til å binde kitosan.
I denne proof-of-concept-studien, en vellykket end-modifisering av alginat ble demonstrert med tilføringav ny funksjon samtidig optimal retensjon av egne egenskaper ved bruk av etablerte protokollen.Metoden åpner en rekke nye applikasjoner av polymeren, e.g., i drug delivery og vevsteknologi. Alginate is an important polysaccharide with a variety of industrial and research applications due to itsinherent properties. Some of these properties include the ability to gel, increase viscosity, and dissolvea gel network. It would be interesting to expand alginate’s applications by adding a new functionwithout compromising these properties. There are several chemical groups on alginate available formodification, but terminal modification is the most optimal choice for this purpose.
In the first part of the thesis, the reducing end of alginate oligomers was functionalized by an amination reaction and a one-pot reductive amination reaction, utilizing picoline borane as a non-toxicreducing agent. Products were purified by Size-Exclusion Chromatography (SEC), and the formationof conjugated covalent bonds was verified by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy.Terminal functionalization of guluronate oligomers with dioxyamine and dihydrazide linker moleculeby one-pot reductive amination resulted in complete reduction and the formation of stable secondaryamines. Reactions with both linkers gave high product yield, but conjugation with dioxyamine (95%)was slightly higher-yielding than with dihydrazide (72%). Oxyamine-functionalization of mannuronateoligomers were prepared by amination reaction with the presence and absence of picoline borane. Inthe absence of picoline borane, a mixture of acyclic products of (E)- and (Z)-oximes were formedwith 100% estimated yield. Two structures of each isomer were identified with NMR spectroscopy. Inthe presence of the reducing agent, secondary amines were obtained with 100% estimated yield. Thedifference in reducing end reactivity between mannuronate and guluronate oligomers was illuminatedby the difference in the required reaction time for complete reduction with dioxyamine, namely 96 hfor guluronate and 24 h for mannuronate.
In the second part of the study, a fluorophore molecule was grafted to oligoguluronate, OligoG CF-5/20(AlgiPharma AS), by a two-step procedure. First, the OligoG CF-5/20 was conjugated by one-potreductive amination to the oxyamine moiety of a polyethylene glycol (PEG)-spacer molecule with100% estimated product yield. Thereafter, the PEG-spacer was grafted to an alkyne-functionalizedfluorophore by alkyne/azide copper-free click reaction. The fluorescent-labeled OligoG was furtherapplied to coate chitosan-based nanoparticles. Analysis by Nanoparticle tracking analysis (NTA)showed the presence of fluorescently active populations of nanoparticles, demonstrating successfulcoating and, hence the retention of the alginate’s inherent property to bind chitosan.
In this proof-of-concept study, the terminal modification of alginate using the established protocoldemonstrated an effective method to add new functionality to the polymer with optimal retentionof its inherent properties. This highly broadens the range of the polymer application, e.g., in drugdelivery and tissue engineering.