Synthesis and versatile applications of oligoethylene glycol dendrons using click chemistry

Abstract

Dendrimers are a class of globular highly branched macromolecules with precise architecture. They consist of a multivalent surface with functional group, a core unit where branching starts, and the interior is made of branching units and the void space in between the branched. Interesting properties of dendrimers are monodispersity, multivalency and a globular geometry.

Click chemistry is a ‘set of powerful, highly reliable, and selective reactions for the rapid synthesis of useful new compounds and combinatorial libraries’. The most commonly used click reaction is the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC). Click chemistry is a powerful tool for the construction and functionalization of dendrimers.

The principle objective of the present thesis is the use of click chemistry for the synthesis of higher generation dendrons and exploring the possible use of these dendrons for biomedical applications.

The first generation dendrons which were synthesized in this work consist of two distinct parts: 1) a core unit derived from the acid diethylene triamine pentaacetic acid (DTPA); 2) monodisperse chains of oligoethylene glycol (OEG) of exact length which are coupled to the DTPA core unit by amide bond formation. The second and third generation dendrons were obtained in two steps: 1) conversion of the surface functional groups to azides; 2) coupling the azide building block unit to the azides of the core unit through CuAAC.

Apart from the synthesis of the dendrons using click chemistry, the present thesis also described some biomedical applications of the mentioned dendrons. The core unit derived from DTPA is orthogonally protected and this allows functionalizing the dendrons with distinct moieties. Furthermore, the DTPA derivative endows the dendrons the intrinsic capability to chelate metal ions. The chelation depends on the type of complexated metal ion and also on the functional group in the focal point of the dendron. The metals which can be chelated include gadolinium, terbium and indium, all of which are interesting for medical imaging purposes. Chelating gadolinium with dendrons increase the relaxivity induced by the gadolinium ion because the size of the dendrons slows down the rotation of the metal center. Also, the relaxivity is increased due to the hydrophilic character of the dendrons.

Combining the ability to chelate with the multivalency of the dendrons several multimodal platforms for medical imaging were constructed. The platforms were functionalized with targeting peptides and a fluorophore and the DTPA derived core unit carried an isotope of indium. Internalization assays demonstrated that the peptides were able to direct the platforms towards the targeted cells and other preliminary in vivo experiments indicated that the constructs accumulated in the tumors as shown in fluorescence and SPECT imaging.

Other dendrons were synthesized to serve as cross-linking agents of bio functionalization platforms. The cross-linking agents were composed of four azides and one bioactive moiety and are used to form hydrogels with the biopolymer hyaluronic acid. The biofunctionalization platforms were composed of four peptides and one azide for coupling the dendron. Using these platforms, peptides sequences could be introduced into the hydrogel and this works to augment the viability of the implanted cells.

Finally, an OEG-based dendron was used in combination with carbosilane dendrons to construct hybrid dendrons to bind DNA. The hybrid molecules displayed less cytotoxicity and were more effective delivering genetic material.

In conclusion, it has been demonstrated that click chemistry is a powerful tool for the synthesis and versatile applications of OEG-based dendrons.

Los dendrímeros son una clase de macromoléculas que se caracterizan por tener una estructura altamente ramificada. Los dendrímeros contienen una superficie multivalente con los grupos funcionales, un núcleo donde empieza la ramificación eun interior constituido por los puntos de ramificación y los espacios vacíos entre las ramas. Las propiedades más interesantes de los dendrímeros incluyen su monodispersidad, multivalencia y geometría globular.

La química click es un ¿grupo de reacciones que son poderosas, fiables y selectivas para la síntesis rápida de compuestos útiles y bibliotecas combinatorias¿. El mejor ejemplo de química click es la cicloadición catalizada por cobre entre azidas y alquinos (CuAAC). La química click es una herramienta poderosa para construir y funcionalizar dendrimeros.

El objetivo principal de la presente tesis ha sido utilizar la química click para la síntesis de dendrones de generaciones elevadas y explorar la posibilidad de aplicar estos dendrones para aplicaciones biomédicas.

Los dendrones de primera generación sintetizados en este trabajo consisten de dos partes distintas: 1) un núcleo derivado del ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA); 2) unas ramas monodispersas de oligoetilenglicol (OEG) que se acoplan al núcleo de DTPA a través de la formación de un enlace amida. Los dendrones de generación 2 y 3 se pueden obtener mediante dos pasos: 1) la conversión de grupos funcionales en la superficie a azidas; 2) acoplando el building block dendron con un alquino a la azida a través de la CuAAC.

Aparte de la síntesis de los dendrones utilizando la química click, la presente tesis también describe unas aplicaciones biomédicas de estos dendrones. El núcleo basado en DTPA está protegido de una manera ortogonal y esto permite funcionalizar los dendrones con grupos distintos.

El derivado de DTPA también otorga a los dendrones una capacidad intrínseca de complejar iones de metales. La complejación depende del tipo de metal complejado y del grupo funcional en el punto pocal del derivado de DTPA. Los metales que se complejan incluyen gadolinio, terbio e indio, los cuales son interesantes para aplicaciones de imagen médica. Complejando gadolinio los dendrones aumentan la relaxividad causado por el ion de gadolinio porque el tamaño mayor de dendron ralentiza la rotación del metal. También la relaxividad se aumenta por el carácter hidrófilo de los dendrones.

Combinando la capacidad de quelar con la multivalencia del dendron se construyeron distintas plataformas multimodales para la imagen médica. Las plataformas se funcionalizaron con péptidos diriguidores y un fluoroforo y el nucleo basado en DTPA llevaba un isotopo de indio. Ensayos de internalización mostraron que los péptidos eran capaces de dirigir las plataformas a las células dianas y unos experimentos preliminares in vivo indicaron que los constructos se acumularon en tumores lo cual se podía visualizar por fluorescencia y por SPECT.

Se sintetizaron dendrones como agentes de cross-linking o plataformas de biofuncionalizacion. Los agentes de cross-linking llevan cuatro azidas y un grupo bioactivo y sirve para formar un hidrogel con el biopolímero acid hyaluronico. Las plataformas de biofuncionalizacion tienen cuatro péptidos y una azida para acoplar el dendron al biopolímero. Así se pueden introducir grupos peptídicos en el hidrogel y esto sirve para aumentar la viabilidad de las células implantadas

Finalmente se utilizaron los dendron de OEG en conjunto con dendrones de carbosilano para preparar dendron híbridos para complejar ADN. Estos hibridos mostraron menos citotixicad y tenían una mayor capacidad de entregar material genético.

En conclusión, se ha mostrado que la química click es una herramienta potente para la síntesis y aplicación diversa de dendrones basados en OEG.