English Title: Synthesis of multivalent carbohydrate mimics as ligands for cell membrane lectins and as cell adhesion and invasion inhibitors

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Abstract

Lectin-Kohlenhydrat Interaktionen spielen eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen wie Zell-Zell-Erkennung, Zelladhäsion und Migration. Verzweigte Saccharide zeigen eine höhere Bindungsaffinität als lineare. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit zwei Typen von di- und trivalenten Saccharidmimetika, die sich in ihrer Corestruktur unterscheiden, synthetisiert, um ihre biologische Aktivität im Adhäsions- und Invasionsassay zu studieren und fluoreszenzmarkiert Zellmembran-Lectine zu visualisieren. Die sich daraus ergebenden Struktur-Aktivitätsbeziehungen wurden in Molecular Modeling Studien evaluiert. Im synthetisch-chemischen Teil der Arbeit wurden über die Imidat-Methode nach Schmidt divalente Furan-Galactoside und Fucoside dargestellt. Für die Zellfärbung wurden die glycosidierten Furane mit Biotin Maleinimid über die Diels-Alder Reaktion biotinyliert und dann mit Avidin-FITC gelabelt. Als zweiter Saccharidmimetikum-Typ wurden di- und trivalente Galactoside mit Cylcohexan als Core-Struktur synthetisiert. Die Biotinylierung des divalenten Galactosids aus dieser Reihe fand über die Reaktion der Aminogruppe am Linker mit NHS-aktiviertem Biotin statt. Mit Hilfe der biotinylierten Saccharidmimetika konnten diskrete Bereiche auf der Plasmamembran von verschiedenen Tumorzelllinien angefärbt werden. Besondere Merkmale waren zum einen die polarisierte Anfärbung und zum anderen die Anfärbung der Focal Adhesion Points. Verzweigte Galactoside inhibierten abhängig vom Verzweigungsgrad und ihrer Konzentration spezifisch die Adhäsion von stark metastasierenden B16F10 Zellen. Ferner konnte die Migration der B16 Zellen durch extrazelluläre Matrix signifikant durch die synthetischen Galactoside gehemmt werden. Molecular Modeling Studien wiesen zudem strukturelle Ähnlichkeiten zwischen dem Tumorantigen Ley und den DA-Saccharidmimetika auf.

Translation of abstract (English)

Lectins are carbohydrate binding proteins that are involved in biological processes such as cell-cell recognition and adhesion. Branched carbohydrates have been shown to bind more avidly to lectins than linear carbohyrates. Therefore a set of di- and triantennary galactosides and fucosides have been synthesized with a carbohydrate mimetic as a core to localize cell surface lectins and to study the role of lectins in adhesion and migration processes. To localize lectins on the cell surface, the carbohydrates were labeled with fluorescein and visualized by immunofluorescence microscopy. Different tumor epithelial cell lines showed discrete staining patterns on the membrane and in one case it looked like focal adhesion points were stained. These data demonstrate the valuable diagnostic potential of such carbohydrate mimics. Biochemical studies focused on the role of these carbohydrate mimics on the adhesion and migration behavior of B16 melanoma cells. The highest adhesion inhibitory effect was observed by the trigalactoside on fibronectin compared to a linear galactoside. Likewise the trigalactoside was most efficient in inhibition of migration through matrigel. These data demonstrate that galactosides influences the adhesion and migration process of B16 melanoma cells and that branched galactosides possess a higher inhibitory effect on these processes than linear ones. Furthermore molecular modeling was performed to elucidate the underlying structure activity relationship between the synthetic carbohydrate mimics and a natural branched carbohydrate like Lewis y, which is known to be overexpressed in for example colon and ovarian cancer. The accessible conformational space of these carbohydrate mimics was investigated using molecular dynamics simulation with inclusion of explicit water molecules. Characteristic internal coordinates (distances, angles) of structurally important feature of the mimics were compared with the corresponding attributes of Lewis y. From these investigations it can be concluded that our synthetic carbohydrates mimic structural characteristics of Lewis y. These data create a platform to design carbohydrate structures with desired binding affinity, able to compete with natural ligands for lectin binding.