Guluronate-Based Diblocks with β-(1,3)-Glucan: Ca2+ Induced Self-Assembly and Activation of the Glucan Corona for Ligand Attachment

Abstract

Blokkpolysakkarider, dannet ved å kombinere individuelle polysakkarider med et koblingsmolekyl, kan beholde sine distinkte egenskaper samtidig som de får nye karakteristikker. β-(1,3)-glukaner, kjent for sin bioktivitet, viser lovende egenskaper som responsmodifisere i medisinske applikasjoner. Derfor hadde denne oppgaven som mål å utforske potensialet av å bruke β-(1,3)-glukaner i selvmonterende nanopar- tikkelsystemer, i stedet for den tidligere etablerte bruken av dekstran. Denne opp- gaven består derfor av tillaging av guluronat-b-SBG-diblokker og nanopartikler dan- net gjennom Ca2+-indusert selvmontering. Diblokker ble preparert ved konjuger- ing av G16 og SBG16-PDHA ved reduktiv aminering. Diblokkene ble indusert med Ca2+-kationer ved dialyse, og resultatene fra dynamisk lysspredning bekreftet dan- nelsen av nanopartikler bestående av en guluronatbasert kjerne og en hydrofil β- (1,3)-glukanbasert korona. Diblokkene er i fremtidig arbeid ment å bli bundet til ra- dionuklider av ligander for målrettet levering til svulster, og derfor var en protokoll for tilknytning av ligander til diblokken av interesse. Karakteriseringen av aldehy- der var avgjørende for utviklingen av denne protokollen, da aldehyder identifiseres som potensielle bindingssteder for ligander. For dette formålet ble linkeren OBHA benyttet for påvisning av aldehyder på reduserende ende av polysakkarider, samt for identifisering av dialdehyder generert i polysakkarider etter periodatoksidasjon. Denne var vellykket i identifiserte aldehyder på reduserende ende, men hadde be- grensninger i påvisning av oksidativt genererte dialdehyder, og å skille mellom disse to. Det er dermed behov for å forbedrede rensingmetodene for denne kvantifis- eringen. Videre ble stabiliteten til SBGn -PDHA testet under periodatoksidasjon, og overraskende nok gikk sekundære aminer og polysakkaridkonjugasjonen tapt, selv under substoikiometriske IO4−-betingelser. I motsetning til dette viste et an- net koblingsmolekyl, SBGn -ADH, større stabilitet, med de sekundære aminene be- vart etter oksidasjon. Disse funnene antyder at SBGn -ADH er lovende for fremtidig forskning som involverer utvikling av ligandbindingsmetoder for alginatebaserte diblokk-systemer. Til slutt, som et sideprosjekt, forsøkte oppgaven å forberede SBG4-PEG3-Biotin-diblokker. De første konjugeringsforsøkene ved høyere konsen- trasjoner mislyktes, men påfølgende forsøk ved bruk av etablerte protokoller lyktes med en utbytte på 33% før reduksjon. Utfordringer ble knyttet til dårlig oppløsing av forbindelsene og fjerning av overflødig reduksjonsmiddel, som påvirket resul- tatene. For å konkludere, ble målet om å lage Gm -b-SBGn diblokker og danne selv- monterende nanopartikler oppnådd. Videre optimalisering er nødvendig, spesielt med hensyn til ligandbindingsprotokollen og generering av dialdehyder som bind- ingssteder. Disse fremskrittene gir stort håp for utviklingen av målrettede nanopar- tikler som er i stand til å binde radionuklider som 64Cu for levering til svulster.

Block polysaccharides, formed by combining individual polysaccharides with a linker molecule, retain their distinct properties while acquiring new characteristics. β- (1,3)-glucans, known for their bioactivity, are promising response modifiers in med- ical applications. Hence, this study aimed to explore the potential of using β-(1,3)- glucans in self-assembling nanoparticle systems, instead of the earlier established use of dextran. The scope of this thesis, therefore, consists of the preparation of guluronate-b-SBG diblocks and nanoparticles formed through Ca2+-induced self- assembly. To address this, diblocks were successfully prepared by conjugation of G16 and SBG16-PDHA by reductive amination. The diblocks were induced with Ca2+ cations by dialysis, and the results from dynamic light scattering supported the development of nanoparticles consisting of a guluronate-based core and a hy- drophilic β-(1,3)-glucan-based corona. The diblock is in future work intended to be bonded to radionuclides by ligands in target delivery to tumors, and hence a pro- tocol for attachment of ligands to the diblock was of interest. The characterization of aldehydes was essential for the development of this protocol, as aldehydes iden- tify as potential binding sites for ligands. For this purpose, the linker OBHA was utilized for the detection of aldehydes at the reducing end of polysaccharides, as well as for the identification of dialdehydes generated in polysaccharides following periodate oxidation. It successfully identified reducing end aldehydes but had lim- itations in detecting the oxidatively generated dialdehydes, highlighting the need for improved rinsing methods for this quantification. Furthermore, the stability of SBGn -PDHA was tested under periodate oxidation, and surprisingly, the secondary amines and polysaccharide conjugation were lost, even under substoichiometric IO4− conditions. In contrast, another linker molecule, SBGn -ADH exhibited greater stability, having the secondary amine preserved after oxidation. These findings suggest that SBGn -ADH holds promise for future studies involving the develop- ment of ligand-binding of alginate-based diblock systems. Lastly, as a side-project, the thesis attempted to prepare SBG4-PEG3-Biotin diblocks. Initial conjugation ef- forts at higher concentrations failed, but subsequent attempts using established protocols succeeded with a 33% yield before reduction. Challenges included com- pound dissolution and excess reducing agents impacting the results. In conclusion, the aim of preparing Gm-b-SBGn diblocks and the formation of self-assembling nanoparticles was achieved. Further optimization is required, particularly in the ligand attachment protocol and the generation dialdehydes as binding sites. These advancements hold promise for the development of targeted nanoparticles capa- ble of binding radionuclides like 64Cu for tumor-specific delivery