Der
Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Sorbens zur Verfügung
zu stellen, mit dem die gezielte Abtrennung eines Substrats, vorzugsweise
eines Substrats mit physiologischer Aktivität, aus einem Substratgemisch
möglich
ist. Weiterhin lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, das die gezielte Abtrennung besagten Substrats aus einem
Substratgemisch mittels besagten Sorbens erlaubt.
Diese
Aufgaben konnten mit Hilfe mindestens eines Sorbens gelöst werden,
das mindestens zwei unterschiedliche zur Bindung befähigte Gruppen
enthält,
die mit mindestens zwei Gruppen am Substrat komplementär bivalent
in Wechselwirkung treten können.
Hierdurch tritt gegenüber
der monovalenten Wechselwirkung, die wenig bis nicht-selektiv ist,
eine Verstärkung
auf. In der Folge wird die Zielverbindung um ein Vielfaches stärker vom
Sorbens zurückgehalten
als nur monovalent bindende Konkurrenten, womit gegenüber diesen
Konkurrenten die selektive Bindung erreicht wird. Gegenüber anderen polyvalenten
konkurrierenden Substraten kann die selektive Bindung durch ein
optimiertes Sorbens erreicht werden, dessen dazu notwendige Eigenschaften
an Hand einer Kollektion von Sorbentien ermittelt werden können.
Gegenstand
der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung mindestens
eines Sorbens mit mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung
befähigten
Gruppen zur selektiven Bindung eines Substrats, dadurch gekennzeichnet,
dass es die Stufen (i) bis (ii) umfasst:
- (i)
Ermittlung von mindestens zwei zur Bindung mit einem Sorbens befähigten Gruppen
aus einem synthetischen oder natürlichen
ersten Substrat,
- (ii) Aufbringen jeweils mindestens zweier unterschiedlicher
zur Bindung mit einem zweiten synthetischen oder natürlichen
Substrat befähigten Gruppen
auf jeweils einen Träger
unter Bildung mindestens eines Sorbens, wobei es sich bei den Gruppen
um die gleichen Gruppen der Stufe (i) oder dazu komplementäre oder
nicht-komplementäre
Gruppen handelt, und das zweite Substrat der Stufe (ii) gleich oder
verschieden vom ersten Substrat gemäß Stufe (i) ist.
Weiterer
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur selektiven Bindung
eines Substrats mit mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung befähigten Gruppen
an mindestens ein Sorbens, dadurch gekennzeichnet, dass es die Stufen
(i) bis (iv) umfasst:
- (i) Ermittlung von mindestens
zwei zur Bindung mit einem Sorbens befähigten Gruppen aus einem synthetischen
oder natürlichen
ersten Substrat,
- (ii) Aufbringen jeweils mindestens zweier unterschiedlicher
zur Bindung mit einem zweiten synthetischen oder natürlichen
Substrat befähigten Gruppen
auf jeweils einen Träger
unter Bildung mindestens eines Sorbens, wobei es sich bei den Gruppen
um die gleichen Gruppen der Stufe (i) oder dazu komplementäre oder
nicht-komplementäre
Gruppen handelt, und das zweite Substrat der Stufe (ii) gleich oder
verschieden vom ersten Substrat gemäß Stufe (i) ist,
- (iii) Inkontaktbringen mindestens eines zweiten Substrats, das
gleich oder verschieden vom ersten Substrat sein kann, mit mindestens
einem Sorbens der Stufe (ii),
- (iv) Prüfung
der Bindungsstärke
des mindestens einen zweiten Substrats an das mindestens eine Sorbens
der Stufe (iii).
Die
Erfindung erlaubt es somit, die Bindung zwischen Sorbentien und
Substraten gezielt zu verstärken
oder auch gezielt zu lockern, wodurch die Selektivität der Bindung
eines Sorbens gegenüber
einem Substrat, das aus einem Substratgemisch abgetrennt werden
soll, auch gezielt verbessert werden kann.
Demzufolge
liegt der Erfindung ein neues Abtrennungsprinzip für ein Substrat
aus einem Substratgemisch zugrunde, das sich grundlegend von den
Abtrennungsprinzipien der Verfahren des Standes des Technik unterscheidet,
weil es die erfolgversprechende Trennselektivität für ein beliebiges zu trennendes
Substratpaar entwirft und realisiert.
Das
Abtrennungsprinzip der vorliegenden Erfindung beruht auf der Vorhersage,
der quantifizierbaren Abschätzung
oder auf der Messung der Stärke der
durch Wechselwirkung zwischen jeweils mindestens zwei unterschiedlichen
zur Bindung befähigten Gruppen
aus Sorbens und Substrat gebildeten nichtkovalenten Bindung. Die
Abtrennungsprinzipien der Verfahren des Standes der Technik beruhen
darauf, dass die Abtrennung durch grob in die Kategorien polar/unpolar
bzw. hydrophil/hydrophob eingeteilte empirische Methoden erfolgt
und damit zufallsabhängig ist.
Dies wird auch durch den bislang häufig nicht ausreichenden Trennerfolg
belegt.
Vorzugsweise
sind die Gruppen in Stufe (ii) gleich den Gruppen der Stufe (i)
oder zu diesen Gruppen komplementär.
Im
Sinne der Erfindung fallen unter die Bezeichnung Substrat alle Stoffe
natürlichen
oder synthetischen Ursprungs, die selektiv gebunden werden können. Vorzugsweise
sind dies Wirkstoffe, also Verbindungen mit physiologischer und/oder
biologischer Wirksamkeit in lebenden pflanzlichen oder tierischen Organismen.
Prinzipiell sind dies alle natürlichen
und synthetisch chemischen und/oder biologischen Verbindungen, die
zwei oder mehr zur Bindung befähigte Gruppen
aufweisen. Vorzugsweise sind dies Aminosäuren, Oligopeptide, Nukleotide,
Nukleo side, Proteine, Glukoproteine, Antigene, Antigen-Determinanten,
Antikörper,
Kohlenhydrate, Enzyme, Co-Enzyme, Fermente, Hormone, Alkaloide,
Glykoside, Steroide, Vitamine, Metabolite, Viren, Mikroorganismen, Inhaltstoffe
pflanzlicher und tierischer Gewebe, Zellen, Zellfragmente, Zellkompartimente,
Zellaufschlüsse,
Lectine, Flavyliumverbindungen, Flavone und Isoflavone, sowie synthetische
Wirkstoffe, wie Pharmazeutika und Pflanzenschutzmittel.
Sind
die zu bindenden Wirkstoffe niedermolekular, so werden sie in der
Literatur auch häufig
als Liagnden bezeichnet. Bindende Stoffe, die proteinartig und hochmolekular
sind, werden häufig
als Rezeptor bezeichnet.
Unter
den Substratbegriff fallen auch Vorstufen, die sich gegebenenfalls
nach weiterer Modifikation als Wirkstoff eignen können. Solche
potenziellen Wirkstoffe werden oft als Hits oder Leads bezeichnet, wenn
sie von den für
ihre Bestimmung verwendeten Sceeningverfahren abgeleitet sind, oder
als Scaffolds, Needles oder Pharmakophore, wenn sie von Strukturmerkmalen
abgeleitet sind.
Unter
den Begriff Substrat fallen außerdem Wertstoffe,
deren Isolierung, Entfernung oder Gewinnung aus Gemischen von wirtschaftlichem
Nutzen sein kann. Hierzu zählen
auch niedrig konzentrierte Wertstoffe und Nebenprodukte, z. B. aus
Prozess- oder Abfallströmen.
Die Wertstoffe können
organisch sein, wie Peptide, oder Stoffwechselprodukte aus Körperflüssigkeiten,
oder anorganisch, wie radioaktive Metallionen oder Metallionen der
Edelmetalle.
Unter
Träger
sind Materialien zu verstehen, die als Unterlage oder Gerüst für die bindenden Gruppen
dienen. Beim Aufbringen dieser Gruppen auf den Träger wird
das Sorbens gebildet. Für
chromatographische Anwendungen wird das Sorbens auch als stationäre Phase
bezeichnet.
Der
Begriff Sorbens umfasst jede Kombination aus Träger und mindestens zwei unterschiedliche zur
Bindung mit einem Substrat befähigten
Gruppen.
Der
Begriff Baustein bezeichnet Teile bzw. Fragmente von Substraten,
vorzugsweise Wirkstoffe, die jeweils mindestens eine zur Bindung
befähigte Gruppe
aufweisen. Beispiele für
derartige Bausteine sind Epitope. Der Begriff Baustein kann auch
identisch mit dem Begriff zur Bindun befähigte Gruppe sein. Die räumliche
Anordnung der Bausteine innerhalb eines Substrats wird im Folgenden öfters als Bindungsstelle
bezeichnet. Beispielsweise ist Histidin ein Baustein, der als zur
Bindung befähigte
Gruppe einen Imidazol-Rest trägt.
Der
Begriff Epitop bezeichnet molekulare Bereiche von Substraten. Beispielsweise
wird mit dem Begriff Epitop ein molekularer Bereich eines Antigens bezeichnet,
der einen Antikörper
zu binden vermag. Solche Bindungsstellen eines Antikörpers auf
einem Antigen werden auch als Antigen-Determinante bezeichnet.
Der
Begriff (unterschiedliche) zur Bindung befähi Gruppe umfasst alle Gruppen,
die in der Lage sind, mit dem Sorbens und/oder Substrat über kovalente
oder nicht-kovalente Wechselwirkungen zu binden. In der angelsächsischen
Literatur wird dieser Begriff auch mit binding site residue bezeichnet.
Im Übrigen
sind dies alle Verbindungen oder die Reste von Verbindungen, die
in der Literatur als geeignet zur Ausbildung nicht-kovalenter Bindungen
beschrieben werden. Der Begriff nicht-kovalente Bindung wird weiter
unten erläutert.
Zur
Bindung befähigte
Gruppen sind vorzugsweise Hydroxyl-, Carboxyl-, Amid-, Amino-, i-Butyl-,
Phenyl-, Nitrophenyl-, Naphthyl-, aber auch Diol-, Hydroxyphenyl-,
Indoyl- und Imidazolylreste. Eine zur Bindung befähigte Gruppe
kann somit auch mindestens eine funktionelle Gruppe enthalten. Diese
ist aber nicht mit dem Begriff funktionelle Gruppe gleichzusetzen.
Eine
zur Bindung befähigte
Gruppen kann auch mehr als eine Form der energetischen Wechselwirkung
ausüben,
d. h. sie kann mehr als eine An von nicht-kovalenter Bindung eingehen. Beispielsweise
ist der Indolrest grundsätzlich
in der Lage, gleichzeitig mit geeigneten zu bindenden Substanzen
ionische, van der Waals-, π-π- und dispersive Wechselwirkungen
auszuüben.
Dem Indenrest fehlt hingegen die ionische Wechselwirkungsfähigkeit, und
die dispersive Wechselwirkung ist schwächer ausgeprägt.
Die
einzelnen Beiträge
zur Bindung sind dabei auch vom Lösungsmittel abhängig. Sie
können durch
die Wahl der Lösungsmittelzusammensetzung, des
pH-Wertes und der Temperatur gezielt beeinflusst werden. Im Allgemeinen
sind die van der Waals-Wechselwirkungen in organischen Lösungsmitteln
weniger ausgeprägt
als in wässrigen
Lösungsmittelgemischen.
Demgegenüber
werden die in aprotischen Lösungsmitteln
dominanten Wasserstoffbrücken-Wechselwirkungen
mit zunehmendem Wassergehalt in der Regel stark abgeschwächt.
Der
Begriff unterschiedlich bedeutet, dass die Gruppen entweder eine
unterschiedliche elementare Zusammensetzung besitzen, oder dass
bei gleicher elementarer Zusammensetzung die Elemente in den Gruppen
unterschiedlich verknüpft
oder die Gruppen unterschiedlich chemisch gebunden sind. Die Unterschiedlichkeit
bezüglich
mindestens zweier zur Bindung befähigten Gruppen schließt auch
die sterische Anordnung gegenüber
einem zu bindenden Stoff ein. Eine diesbezügliche Anordnung betrifft beispielsweise
die Unterscheidung von Stereoisomeren, insbesondere Diastereomeren
und Enantiomeren. Beispielsweise sind cis-ständige Hydroxylgruppen unterschiedlich
zu trans-ständigen
oder Hydroxylgruppen einer R-Form unterschiedlich zu denen einen
S-Form. Diese Unterschiede können
durch physikalische Verfahren detektiert werden, beispielsweise
durch NMR-Spektroskopie, da solche Gruppen magnetisch nicht-equivalent
sind und im NMR-Spektrum unterschiedliche Resonanzsignale ergeben.
Die Detektion kann auch durch Röntgenstrukturanalyse möglich sein.
Auch zeichnen sich solche Gruppen dadurch aus, dass sie eine unterschiedliche
Reaktivität
gegenüber
angreifenden Reagenzien besitzen können.
Unterschiedliche
zur Bindung befähigte Gruppen
sind somit insbesondere solche Gruppen, die gegenüber der
zu bindenden Substanz jeweils unterschiedliche Beiträge zur Wechselwirkungs-Energie
beisteuern. Diese Wechselwirkungsenergie wird auch als Wechselwirkungs-Gibbs
Energie ΔG bezeichnet.
Solche Gruppen können
in ihrer Konstitution, Konfiguration und Konformation durchaus gleich
sein, aber in ihrem Wechselwirkungsanteil unterschiedlich. Beispielsweise
können
Carboxylgruppen in Glutaminsäurederivaten
einen unterschiedlichen Wechselwirkungsanteil aufweisen. Auch können unterschiedlich
gebundene Rhamnose-Reste
einen unterschiedlichen Wechselwirkungsanteil aufweisen, der beispielsweise
zur Trennung von Naringin und Rutin ausgenützt werden kann.
Unterschiedlichen
Beiträge
zur Wechselwirkungs-Gibbs Energie ΔG können jeweils wiederum unterschiedlich
große
Enthalpie- und Entropiekomponenten aufweisen. So ist es denkbar,
dass zwei ionische Wechselwirkungen der im zu bindenden Stoff enthaltenen
Carboxylgruppen zwar bezüglich
der Enthalpie-ΔH-Wechselwirkung nahezu
gleiche Beiträge beisteuern,
die zweite Bindungsstelle jedoch einen relativ größeren negativen
Entropiebeitrag ΔS
aufweist.
Umgekehrt
kommt es auch vor, dass in einem ersten und/oder zweiten Substrat
mindestens zwei zur Bindung befähigte
Gruppen unmittelbar nebeneinander stehen, die chemisch gleich oder
equivalent sind. Ihre Beiträge
zur Wechselwirkung unterscheiden sich gegebenenfalls nur graduell
oder sind innerhalb der Messgenauigkeit nicht mehr unterscheidbar.
Das stöchiometrische
Verhältnis
solcher Gruppen untereinander oder in Hinsicht auf weitere zur Bindung
befähigte
Gruppen wird bei der Herstellung des Sorbens durch den Derivatisierungsgrad berück sichtigt.
Dieser Derivatisierungsgrad ist für Lösungen oder Suspensionen des
Sorbens auch das Maß für Konzentrationsangaben.
Ein
Beispiel für
eine Anhäufung
gleicher oder energetisch angenähert
equivalenter zur Bindung befähigter
Gruppen stellen die Steroidrezeptoren dar. Diese enthalten für den Bindungskontakt
zu Estradiol oder Progesteron bis zu sieben Leucinreste, die mit ihren
Alkylguppen den Liganden unpolar binden. Hinzu kommen noch bis zu
drei polare Bindungsstellen, die aus Arginin, Glutamin(säure) und
Histidin bestehen. Erfindungsgemäß können diese
natürlichen
Rezeptoren in vereinfachter Weise simuliert werden, indem man im
geeigneten Konzentrationsverhältnis i-Pentylreste
aus Methylvaleriansäure
einführt
und polare Gruppen wie Bernsteinsäureamid sowie basische Gruppen
wie Amin oder Imidazol.
Derartige
Sorbentien vermögen
in brauchbarer Weise nicht nur das Zielmolekül Estradiol stark zu binden,
sondern auch eine Reihe von synthetischen und natürlichen
Stoffen, die im physiologischen Test und in vivo estrogenartige
Wirkung entfalten. Hierzu gehören
beispielsweise Diethylstilbestrol sowie Genistein.
Das
Sorbens wird dabei vorzugsweise als synthetischer polymerer Rezeptor
mit derartigen Wirkstoffen kalibriert, aber auch mit dazu strukturell verwandten,
jedoch unwirksamen Substanzen, wie Tamoxifen, Testosteron oder Catechin.
Der praktische Nutzen ist gegeben, wenn die am natürlichen Rezeptor
gut bindenden Stoffe auch am Sorbens starke Bindung zeigen, im Gegensatz
zu Stoffen, die am Vorbild bereits schwach oder unspezifisch binden.
Bei der Strukturoptimierung wird neben dem Verhältnis der zur Bindung befähigten Gruppen
noch der Vernetzungsgrad eingestellt, der die Größe und räumliche Beschaffenheit der
Bindungsstellen steuert.
Derartige
Sorbentien binden aus gelösten Substanzgemischen überwiegend
oder sogar ausschließlich
solche Substanzen, die auch am biologischen Protein-Vorbild stark
gebunden werden. Somit können
aus Stoffgemischen natürlicher
oder synthetischer Herkunft auf schnelle und einfache Weise potenzielle
Wirkstoffe in reiner Form isoliert werden.
Ein
wichtiger Bestandteil der Erfindung ist die weitgehend freie Lösungsmittelwahl
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. Anwendung. Die Rangfolge und die Größenordnungen der Bindungsenergie-Unterschiede
zwischen den stark und den schwach bindenden Substanzen bleibt überraschenderweise
weitgehend unverändert,
wenn man zum wässrigen
Eluens größere Mengen
Alkohol zugibt und zusätzlich
Säuren
oder Puffer. Der Zusatz von Methanol lockert vorzugsweise die Bindung
für alle bei
der Kalibrierung verwendeten Substanzen erheblich, ohne dass die
Aufteilung in die Gruppen der stark und schwach bindende Stoffe
beeinträchtigt wird.
Die Folge ist eine erheblich frühere
Elution unter Chromatographiebedingungen. Somit lassen sich die interessierenden
Substanzen in einer vertretbaren Zeit testen oder isolieren, da
durch den Zusatz von organischen Lösungsmitteln die Bindungskonstanten im
Verhältnis
zu reinem Wasser oder physiologischem Puffer um Zehnerpotenzen verringert
werden.
Der
Begriff nicht-kovalente Bindung bedeutet, dass die zur Bindung befähigten Gruppen
vorzugsweise über
Ionenpaare, über
Wasserstoffbrückenbindungen, über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, über Charge-Transfer-Wechselwirkungen, über π-π-Wechselwirkungen, über Kation-π-Elektronen-Wechselwirkungen, über van
der Waals-Wechselwirkungen und disperse Wechselwirkungen, über hydropobe
(lipophile) Wechselwirkungen, über
Komplexbildung, vorzugsweise Komplexbildung von Übergangsmetallkationen, sowie
die Kombinationen dieser Wechselwirkungen einander zu binden vermögen.
Unter
dem Begriff komplementär
wird verstanden, dass nur solche Gruppen miteinander in Bindung
treten können,
die zueinander passen. Die die Bindung verursachende Wechselwirkung
muss dabei energetisch günstig
sein. Je ausgeprägter die nicht-kovalente
Bindung besagter Gruppen miteinander ist, desto stärker wird
das Substrat an das mindestens eine Sorbens gebunden. Dabei ist
es auch möglich,
dass zu einer Gruppe mehrere Gruppen komplementär sein können. Beispielsweise können zur
Hydroxyl-Gruppe die Carboxyl-, die Amin- und die Amid-Gruppe komplementär sein.
Der
Begriff komplementäre
Gruppen beinhaltet auch, dass derartige Gruppen durch Gruppen ersetzt
werden können,
die den komplementären Gruppen
strukturell ähnlich
oder mit diesen strukturell verwandt sind. Beispielsweise ist es
möglich,
in einer nicht-kovalenten Bindung, die auf der π-π-Wechselwirkung beruht, einen
Naphthyl-Rest durch einen Anthracen-Rest zu ersetzen, wodurch der
Beitrag des Aromaten zur Bindungsstärke der nicht-kovalenten Bindung
weiter moduliert bzw. gesteigert werden kann. In dazu analoger Weise
ist es möglich,
den Beitrag eines Indol-Restes in einer dispersiven nicht-kovalenten
Bindung durch Ersatz durch einen Acridin-Rest weiter zu erhöhen.
Die
Stärke
der Wechselwirkung zwischen komplementären Gruppen, die z. B. als
Bindungskonstante gemessen und ausgedrückt werden kann, ergibt sich
aus den Beiträgen
der einzelnen zur Bindung befähigten
Gruppen. Diese Einzelbeiträge
zur Bindungskonstanten hängen
nicht nur von der Art der nicht-kovalenten Wechselwirkung ab, sondern
von den Abständen
und der Orientierung (Winkel) der miteinander in Wechselwirkung
tretenden Gruppen sowie von der Zusammensetzung des Lösungsmittels.
Die einzelnen Wechselwirkungsarten unterscheiden sich energetisch
erheblich, wobei die Bindung und somit die Gibbs-Energie in unterschiedlichem
Maße mit
dem Abstand zwischen diesen Gruppen abnimmt.
Zueinander
komplementäre
Gruppen zeichnen sich auch dadurch aus, dass die Beiträge der Gibbs-Energien
der einzelnen Gruppen für
die nicht-kovalente Bindung in einer Änderung der Gibbs-Energie ΔG resultiert,
die einen negativen Wert annimmt.
Beispiele
für typische
Werte für
besagte Wechselwirkungs-Gibbs Energie ΔG (kJ/mol), die abhängig vom
Lösungsmittel
ist, sind
- – für die ionische
Wechselwirkung -4 bis -6, wobei die Stärke bzw. Reichweite dieser
Wechselwirkung reziprok zum Abstand abnimmt. Ein Beispiel für eine derartige
Wechselwirkung ist die Wechselwirkung zwischen einer Carbonsäure und
einem quartärem
aminischen Stickstoff in Wasser;
- – für die Ion-Quadrupolwechselwirkung
-1, wobei die Stärke
bzw. Reichweite zur dritten Potenz des Abstandes abnimmt. Ein Beispiel
ist die Wechselwirkung zwischen quartärem Stickstoff in Ammoniumverbindungen
und einer Aren-Gruppe in Wasser;
- – für die dispersive
Wechselwirkung (induzierte Dipole) -1,75, wobei die Reichweite bzw.
Stärke mit
der 6. Potenz des Abstandes abnimmt. Ein Beispiel ist die Wechselwirkung
zwischen zwei Aren-Gruppen in Chloroform;
- – für Wasserstoffbrücken -4
bis -6. Ein Beispiel ist die Wechselwirkung zwischen zwei Amid-Gruppen
in Chloroform. In Tetrachlorkohlenstoff beträgt die Wechselwirkungsenergie
zwischen solchen Gruppen etwa -10;
- – für den hydrophober
Effekt -2,3, wie er sich zwischen Alkan und Methylen-Rest in Wasser ergibt.
Werden
erfindungsgemäß Hydantoine
bivalent an Ammoniumgruppen in Chloroform gebunden, so werden ΔG-Werte von
bis zu -22 kJ/mol gemessen. Im Falle der monovalenten Bindung eines
Succinimidderivates hingegen betragen die ΔG-Werte durchschnittlich lediglich -9
kJ/mol. Diese Daten lassen auf Wasserstoffbrückenbindungen schließen und auf
eine entropische Verstärkung
vor allem der bivalenten Wechselwirkung.
Für jede Art
nicht-kovalenter Wechselwirkungen und für jedes Paar von erstem und
zweitem Substrat (Rezeptor-Ligand) können sich in einem gegebenen
Lösungsmittelsystem
die abstandsabhängigen
Gibbs-Energien in unterschiedlicher Weise aus einem Enthalpie- und
einem Entropiebeitrag zusammensetzen.
Erfindungsgemäß werden
diese Einzelbeiträge
bestimmt durch die Prüfung
der Bindungsstärke
eines ersten Substrats, das eine, zwei, drei,...n zur Bindung befähigte Gruppen
enthält,
mit z. B. einer Menge von zweiten Substraten, deren zur Bindung befähigte Gruppen
so gewählt
sind, dass Aussagen bezüglich
einer bestimmten Art von Wechselwirkung möglich werden. So können erste
Substrate verwendet werden, die vorzugsweise Amino-, Acetyl-, Benzyl-,
Nitrophenyl- und Isopentylreste enthalten, sowie Zweier- und Dreierkombinationen
hiervon. Die zweiten Substrate bestehen dann aus Derivaten von vorzugsweise
Alanin, Asparaginsäure
und Glutaminsäure.
Die N-terminalen Schutzgruppen dieser Derivate sind vorzugsweise
entweder aliphatisch oder aromatisch.
Die
Bindungsenergien können
vorzugsweise als k'-Wert
aus isokratischen HPLC-Versuchen
ermittelt werden. Wenn die Konzentration der zur Bindung befähigten Gruppen
am ersten Substrat bekannt ist und das Phasenvolumenverhältnis zwischen
der immobilisierten (stationären)
Phase und der mobilen Phase, lässt
sich aus dem k'-Wert
die Bindungskonstante KA bestimmen und aus
dieser wiederum die Änderung
der Gibbs-Energie ΔG.
Die Enthalpieänderung ΔH und die
Entropieänderung ΔS können z.
B. mikrocalorimetrisch bestimmt werden oder durch temperaturabhängige Messung
der Gleichgewichtskonstanten, die auch als van't Hoff-Plot bezeichnet wird. Anschließend ist
durch Vergleich der jeweiligen Wechselwirkungsenergien zwischen
ausgewählten Rezeptorvarianten
und Liganden nachprüfbar,
inwieweit sich Wechselwirkungsbeiträge addieren, verstärken oder
abschwächen.
Selbstverständlich
sind die Methoden für
die Bindungsbestimmung nicht auf die oben genannten beschränkt. Außerdem lassen sich
alle gängigen
Bestimmungsmethoden verwenden wie kompetitive Assays, Surface Plasmon
Resonanz oder NMR-Titration. Die Bestimmung der Wechselwirkungsenergien
kann in Form von miniaturisierten Assays und in paralleler Bestimmung
erfolgen.
Unter
sterisch günstigen
Bedingungen addieren sich die Anteile der Gibbs-Energie für die zur Bindung befähigten Gruppen.
Daraus folgt, dass sich die Anteile an der Bindungskonstanten multiplizieren. Darüber hinaus
sind kooperative Effekte möglich,
die zur weiteren Bindungsverstärkung
beitragen. Auch unter sterisch weniger günstigen Bedingungen kann man
meistens eine bivalente Bindungsverstärkung erreichen. Dies ist für die praktische
Anwendung von großem
Nutzen, da sich die Bindungsverstärkung bei geeigneter Wahl der
zur Bindung befähigten
Reste nahezu vollständig
in einer verbesserten Trennselektivität gegenüber den abzutrennenden Substanzen auswirkt.
Unter
dem Begriff nicht-komplementär
wird verstanden, dass Gruppen zwar miteinander in Bindung treten
können,
diese Gruppen jedoch schwächere
Beiträge
zur nicht-kovalenten Bindung liefern als es komplementäre Gruppen
tun. Die Bindungsstärke
zwischen nicht-komplementären
Gruppen ist demzufolge schwächer
ausgeprägt
als die Bindung zwischen komplementären Gruppen. Zueinander nicht-komplementäre Gruppen
führen
im Sinne der Erfindung zu einer Lockerung der zwischen diesen Gruppen
gebildeten nicht-kovalenten Bindung oder zu einer Schwächung der
betreffenden gesamten Bindungsstelle, oder sie sind nichtbindend.
Sie zeichnen sich vorzugsweise dadurch aus, dass die Beiträge der Gibbs-Energien
der einzelnen Gruppen für
die nicht-kovalente Bindung in einer Änderung der Gibbs-Energie ΔG resultiert,
die null ist oder einen positiven Wert annimmt.
Unter
Ermittlung wird eine gezielte Auswahl verstanden, beispielsweise
eine gezielte Auswahl von zur Bindung befähigten Gruppen.
Das
nach dem neuen Verfahren hergestellte mindestens eine Sorbens kann
für die
Erkennung von Sorbens-Substrat-Wechselwirkungen verwendet werden.
Als Methode für
die Erkennung eignet sich insbesondere das neue Verfahren zur selektiven
Bindung besagten Substrats an das mindestens eine besagte Sorbens.
Als Maß für die Erkennung
kann die Bindungsstärke
herangezogen werden. Kommt es zu einer ausreichend starken Bindung
zwischen Sorbens und Substrat, erhält man eine Aussage, welche Gruppen
des Substrats und welche Gruppen des Sorbens einander zu binden
vermögen.
Sind
die Gruppen des Substrats unbekannt, so kann im Bindungsfall darauf
geschlossen werden, welche zur Bindung befähigte Gruppen im Substrat an
der Bindungsstelle vorliegen können.
Es
ist aber auch möglich,
molekulare Bereiche eines ersten Substrats unbekannter Struktur
in geeignete Bausteine, z.B. Epitope, zu zerlegen und diese Struktur
oder eine dazu komplementäre
Struktur durch geeignete Anordnungen der Bausteine auf dem Sorbens
nachzustellen.
Die
Zerlegung kann dabei sowohl nach chemischen, physikalischen oder
chemisch-physikalischen Methoden erfolgen, wie beispielsweise durch chemische
Abbaureaktionen oder durch Ultraschall, aber auch durch virtuelle
Experimente. Für
diese virtuellen Experimente können
auch Computer-gestützte
Methoden herangezogen werden; mit deren Hilfe Informationen über die
in den Bausteinen der Substrate vorliegenden Bindungsmöglichkeiten
erhalten werden können.
Diese
Zerlegung geht davon aus, dass die Menge aller wechselwirkungsfähigen Bausteine
und die Anzahl von zur Bindung befähigten Gruppen endlich und
begrenzt ist sowie für
eine konkrete Problemstellung darüber hinaus zweckentsprechend
abgrenzbar ist. Aus jeder willkürlich
wählbaren
Teilmenge solcher Gruppen kann man beliebige Klassen von Kombinationen
mit jeweils m Elementen (m = 2, 3, 4,...) herstellen. Ein Beispiel
wäre die
Klasse 3 mit allen möglichen
Kom binationen von jeweils drei zur Bindung befähigten Gruppen aus einer Auswahl
n = 5 mit beispielsweise Phenyl-, Alkyl-, Amino-, Carboxyl- und
Amid-Gruppen.
In
dieser Weise kann man jedes Protein in 20 Bausteine, nämlich die
Aminosäuren,
zerlegen, von denen wiederum n = 6 bis n = 9 zur Bindung befähigte Gruppen
in erster Näherung
relevant sind für
die nicht-kovalente Wechselwirkung mit einem zweiten Substrat. Diese
Reduktion kommt dadurch zustande, dass dieselbe oder eine gleichwertige
zur Bindung befähigte
Gruppe in mehreren Aminosäuren
enthalten ist, wie z. B. die Hydroxyl-, Carboxyl- und Amid-Gruppe, und auch
eine basische Funktion, wenn es auf graduelle Abstufungen zwischen
Lysin, Arginin, Tryptophan oder Histidin nicht ankommt.
In
vergleichbarer Weise kann man die 8 isomeren Ketohexosen oder die
16 stereoisomeren Aldohexosen und die daraus abgeleiteten Pyranoside und
Furanoside als Bausteine einsetzen, die Oligosaccharide repräsentieren.
In
diesem Sinne besteht jedes beliebige unbekannte Substrat aus einer
abzählbaren
Anzahl von Bausteinen, die wiederum jeweils eine definierte Anzahl
zur Bindung befähigter
Gruppen enthalten. Die Bausteine und die zur Bindung befähigten Gruppen entstammen
dem chemischen Wissen und sind nach Art und Eigenschaften in der
Regel bekannt. Dies gilt vor allem dann, wenn sie der organischen
Chemie oder Komplexchemie zuzuordnen sind.
Da
man zu jeder Kombination der bekannten Bausteine und zur Bindung
befähigten
Gruppen im Vorhinein Bibliotheken beliebigen Umfangs von dazu komplementären und
identischen Sorbentien herstellen kann, kann grundsätzlich jeder
Baustein aus einem molekularen Bereich oder aus einer Bindungsstelle
eines ersten Substrats unbekannter Struktur in einer solchen Sorbensbibliothek
enthalten sein bzw. einbezogen werden. Gleiches gilt für die Kombinationen
der zur Bindung befähigten
Gruppen.
Bei
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
können
auch mehrere Sorbentien, also eine Kollektion von Sorbentien, erhalten
werden. Man kann nun ein bekanntes oder unbekanntes zweites Substrat,
das verschieden vom ersten Substrat ist, und dessen zur Bindung
befähigten
Gruppen bekannt sind, in Kontakt mit dieser Kollektion von Sorbentien bringen
und die Bindungsstärken
bestimmen. Hierdurch erhält
man eine Aussage, wie die Bausteine an der Bindungsstelle des zweiten
Substrats angeordnet sind, und wie die Raumstruktur der Bindungsstelle
beschaffen ist. Somit kann das neue Verfahren auch zur Strukturaufklärung verwendet
werden.
Weiterhin
ist das neue Verfahren zur selektiven Bindung besagten Substrats
auch für
die Wirkstoffentwicklung, vorzugsweise für die Entwicklung von Arzneimitteln,
außerordentlich
wertvoll. Bekanntlich beruht die Wirkungsweise eines Arzneimittels darauf,
dass es unter physiologischen Bedingungen an einen natürlichen
Rezeptor, der beispielsweise ein Hormon oder ein Enzym sein kann,
gebunden wird. Man kann nun die Bindungsstelle des natürlichen
Rezeptors in vorstehend beschriebener Weise zerlegen und eine Kollektion
von Sorbentien erstellen. Jedes Sorbens aus der Kollektion dieser
Sorbentien enthält dann
definierte Bausteine (Teile) dieser Bindungsstellen. Vorzugsweise
wird dabei auch die räumliche Anordnung
der Bausteine, weiter bevorzugt die räumliche Anordnung der Bausteine
der gesamten Bindungsstelle, nachgestellt. Wenn man nun die Stärke der
Bindung eines beliebigen Substrates, beispielsweise eines Arzneimittels,
gegen jedes dieser synthetischen Rezeptorteile ermittelt, von denen
nun jedes ein anderes Strukturteil des natürlichen Rezeptors darstellt,
erhält
man aus den Bindungsdaten eine Information, ob dieses Substrat überhaupt
mit dem natürlichen
Rezeptor gut in Wechselwirkung treten kann, und wenn ja, mit welchen
der räumlich
angeordneten Rezeptorgruppen. Durch entsprechende chemische Modifizierung
kann dann das Substrat, also das zu entwickelnde Arzneimittel, solange
optimiert werden, bis die maximale Bindung an den Rezeptor gegeben
ist.
Das
Verfahren eignet sich vorzugsweise dazu, bisher unbekannte oder
nur wegen einer bestimmten Funktion postulierte Biopolymere, vorzugsweise
Proteine oder Glykoproteine, zu isolieren, und bezüglich ihrer
Eigenschaften zu validieren.
In
vergleichbarer Weise ist es denkbar, zu Peptiden aus Phagen-Displays,
zu Oligonukleotiden oder zu anderen Matritzen eine komplementäre Sorbensstruktur
zu synthetisieren, die für
die Isolierung von Wirkstoffmolekülen direkt aus Gemischen eingesetzt
werden kann.
Durch
Darstellung der für
Wirkstoffe typischen Strukturteile auf der Sorbensoberfläche ist
es umgekehrt denkbar, aus Substratgemischen das jeweilig zugehörige Substrat
zu binden und zu charakterisieren. Beispielsweise ist ein derartiges
Substrat ein Rezeptor.
In
Stufe (i) erfolgt die Auswahl von mindestens zwei unterschiedlichen
Gruppen, die zur Bindung eines ersten synthetischen oder natürlichen Substrats
an ein Sorbens befähigt
sind, durch Ermittlung besagter Gruppen aus einem synthetischen
ersten oder natürlichen
ersten Substrat. Die Ermittlung von mindestens zwei unterschiedlichen
Gruppen, die zur Bindung eines ersten synthetischen oder natürlichen
Substrats an ein Sorbens befähigt
sind, kann in jeder erdenklichen Weise erfolgen, d. h. es können beliebige
Gruppen durch beliebige Methoden ausgewählt werden, sofern diese zur
Bindung befähigt
sind. Die Auswahl erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform
entsprechend der mit dem Substrat zu erwartenden nicht-kovalenten
Wechselwirkungen.
In
dieser Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Ermittlung nach Stufe (i) vorzugsweise das
Zerlegen eines synthetischen oder natürlichen ersten Substrats in
mindestens zwei Bausteine mit mindestens zwei zur Bindung mit einem
Sorbens befähigten
Gruppen.
Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass das mindestens eine erste Substrat gleich
dem mindestens einen zweiten Substrat ist, und die jeweils mindestens
zwei unterschiedlichen zur Bindung mit dem zweiten Substrat befähigten Gruppen
unter solchen ausgewählt
werden, die komplementär
zu den in Stufe (i) ermittelten Gruppen sind.
Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine
erste Substrat verschieden vom mindestens einen zweiten Substrat
ist, und die jeweils mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung
mit dem zweiten Substrat befähigten
Gruppen unter solchen ausgewählt
werden, die komplementär
zu den in Stufe (i) ausgewählten
Gruppen sind.
Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens
zwei zur Bindung mit dem mindestens einen zweiten Substrat befähigten Gruppen
ausgewählt werden
unter den gemäß Stufe
(i) ermittelten Gruppen, d. h. die zur Bindung befähigten Gruppen
des zweiten Substrats sind komplementär zu den entsprechenden Gruppen
des ersten Substrats.
Im
Rahmen der Erfindung ist es in einer Ausführungform möglich, in Stufe (i) das synthetische oder
natürliche
Substrat lediglich in zwei Bausteine mit jeweils einer zur Bindung
befähigten
Gruppe zu zerlegen, wobei in Stufe (ii) lediglich ein Sorbens erhalten
wird.
Es
ist aber auch möglich,
das synthetische oder natürliche
Substrat in drei Bausteine zu zerlegen, deren paarweise Kombination
in Stufe (ii) zu drei Sorbentien führt.
Bei
Zerlegung in vier Bausteine werden durch paarweise Kombination in
Stufe (ii) sechs Sorbentien erhalten.
Es
ist aber auch möglich,
dass beim Vorliegen von drei unterschiedlichen Bausteinen neben
der paarweisen Kombination in Stufe (ii) diese drei Bausteine zusammen
als Triplett auf ein Sorbens aufgebracht werden können. Neben
den vorstehend erwähnten
drei Sorbentien erhält
man dann noch ein viertes Sorbens.
Analog
dazu ist es auch möglich,
dass beim Vorliegen von vier unterschiedlichen Bausteinen neben
der paarweisen Kombination in Stufe (ii), die zu sechs Sorbentien
führt,
zusätzlich
vier Sorbentien erhalten werden können, die jeweils drei unterschiedliche
Bausteine enthalten, und ein weiteres Sorbens, das alle vier Bausteine
als Quartett enthält.
Demzufolge
ist die Erfindung auch dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung
mindestens zweier zur Bindung mit einem Sorbens befähigten Gruppen
aus einem synthetischen oder natürlichen ersten
Substrat in Stufe (i) zu zwei Bausteinen mit jeweils mindestens
einer zur Bindung mit dem Sorbens befähigten Gruppe führt und
in Stufe (ii) ein Sorbens erhalten wird; oder die Ermittlung mindestens
zweier zur Bindung mit einem Sorbens befähigten Gruppen aus einem synthetischen
oder natürlichen
ersten Substrat in Stufe (i) zu drei Bausteinen mit jeweils mindestens
einer zur Bindung mit dem Sorbens befähigten Gruppe führt und
in Stufe (ii) mindestens drei Sorbentien erhalten werden; oder die
Ermittlung mindestens zweier zur Bindung mit einem Sorbens befähigten Gruppen
aus einem synthetischen oder natürlichen
ersten Substrat in Stufe (i) zu vier Bausteinen mit jeweils mindestens
einer zur Bindung mit dem Sorbens befähigten Gruppe führt und
in Stufe (ii) mindestens sechs Sorbentien erhalten werden.
In ähnlicher
Weise ist es auch denkbar, aus einer größeren Anzahl von i Bausteinen
n Bausteine auszuwählen
und daraus Multipletts aus jeweils m zur Bindung befähigter Gruppen
zu kombinieren. Beispielsweise kann man aus der Menge der natürliche Aminosäuren die
Bausteine Phenylalanin, Tyrosin, Isoleucin, Asparaginsäure, Asparagin,
Serin, Lysin, Tryptophan und Histidin (n = 9) auswählen, womit
die wichtigsten Arten von nicht-kovalenter Wechselwirkung abgedeckt
werden können.
Die Kombination von jeweils m = 4 unterschiedlicher, zur Bindung
befähigter
Gruppen aus dieser Auswahl liefert 126 unterschiedliche Varianten
von Sorbentien, die auch in kombinatorischer Weise oder als Assay
zu Bindungszwecken und Bindungsstudien eingesetzt werden können.
Jeder
dieser m nicht-kovalenten Wechselwirkungsbeiträge liefert für jedes
einzelne Sorbens einen charakteristischen Wert zur Gesamtwechselwirkung
mit einer zu bindenden Substanz. Diese Einzelbeiträge jeder
zur Bindung befähigten
Gruppe (m = 1) können
lösungsmittelabhängig innerhalb
eines für die
Anwendung zu vernachlässigenden
Schwankungsbereiches für
eine beliebige zu bindende Substanz experimentell ermittelt werden.
Ebenso kann man die Messdaten für
die Dublettwechselwirkungen mit m = 2, für die Triplettwechselwirkungen
mit m = 3, usw., erhalten.
Hierdurch
wird ein umfassender Satz von Energieinkrementen für die unterschiedlichen
Formen und Kombinationen von nicht-kovalenten Wechselwirkungen erhalten,
der dann Vorhersagen für
die Bindungsstärke
zwischen zwei beliebigen Substraten oder Bausteinen ermöglicht.
Dabei wird auch die Tatsache genützt,
dass die unterschiedlichen nicht-kovalenten Wechselwirkungen vom
Lösungsmittel
und vom pH-Wert abhängen.
So wirken sich Wasserstoffbrückenwechselwirkungen
in aprotisch unpolaren organischen Lösungsmitteln stark aus, aber
in polar protischen oder Wasser kaum. Carboxylgruppen ergeben mit
basischen Resten in organischen Lösungsmitteln starke Salzbrücken, in
Wasser wird hingegen in der Regel eine vergleichsweise geringere entropiegetriebene
Wechselwirkung festgestellt.
Diese
Zusammenhänge
sind anhand der Bindung von Aminosäurederivaten an unterschiedliche
Sorbentien beispielhaft dargestellt. Dabei kann man wie bereits
dargelegt bei bekannter Konzentration der am Sorbens angebrachten
Bausteine oder zur Bindung befähigten
Gruppen aus dem k'-Wert
der chromatographischen Messung auf die Bindungskonstante KA schließen.
Damit ist ein schnelles und parallelisierbares Verfahren verfügbar, um
Bindungskonstanten von miteinander um die Bindungsstelle konkurrierenden
Substraten zu erhalten, auch wenn diese in einem komplexen Gemisch
vorliegen.
Aus
den für
die Kombinationen multivalenter Wechselwirkungen erhältlichen
Werten der Bindungskonstanten und Bindungsenergien ist es in der beschriebenen
Weise möglich,
auf die Art und die Anzahl der zur Bindung befähigten Gruppen einer strukturell
nicht bekannten zu bindenden Substanz zu schließen bzw. das Fehlen anderer
Gruppen zu postulieren. So lassen sich z. B. Aussagen machen über die
Anzahl von Carboxylgruppen, basischen Gruppen oder aliphatischen
oder aromatischen Resten in einem gebundenen Aminosäurederivat
oder Peptid.
In ähnlicher
Weise kann man Aussagen machen über
das strukturabhängige
voraussichtliche oder mögliche
Bindungsverhalten zwischen zwei Substraten mit unbekannter Struktur,
sobald ihre zur Bindung befähigten
Gruppen bekannt sind. Dies kann auf Peptide oder Proteinfragmente
zutreffen, wenn man lediglich die Aminosäurezusammensetzung kennt.
Es
ist auch denkbar, das Bindungsverhalten zwischen zwei Substraten
unbekannter Struktur vorherzusagen oder zu beschreiben, wenn sie
im gewählten
Lösungsmittelsystem
eine stabile Raumstruktur einnehmen. Zwei Proteine oder Glykoproteine
mit definierter Tertiärstruktur,
die miteinander an mindestens einer Bindungsstelle in Wechselwirkung treten
können,
werden mit den jeweils zueinander komplementären Vertretern einer Bibliothek
von Sorbentien Wechselwirkungen ähnlicher
Stärke
oder Rangfolge eingehen.
Ein
weiterer wichtiger Anwendungsfall beschreibt die Herstellung von
Sorbentien, die einen vollständigen
Satz aller Kombinationen aus zur Bindung befähigten Gruppen repräsentieren,
die zu einer Bindungsstelle an einem Protein oder Glykoprotein komplementär sind.
Diese Bibliothek von Sorbentien wird dann getestet mit einem vollständigen Satz
von Liganden, der z. B. alle Zweier-, Dreier- und Viererkombinationen
genau der zur Bindung befähigten
Gruppen an der Proteinbindungsstelle repräsentiert. An den Sorbentien
mit der jeweils stärksten
Bindung befinden sich dann diejenigen zur Bindung befähigten Gruppen,
die in einem zu entwickelnden Wirkstoff vorzugsweise enthalten sein
sollten. Selbstverständlich
lassen sich an diesen Sorbentien auch die Proteine binden, die als
Muster für
die komplementären
Gruppen gedient haben.
Auf
analoge Weise kann man aus dem Bindungsmuster eines über Phagenassay
erhaltenen cyclischen Peptids Schlüsse auf die Bindungsstelle im
zugehörigen
Proteintarget ziehen. Darüber
hinaus ist es denkbar, durch komplementäre Abbildung eines solchen
Peptids eine sorbensgestützte
Matritze zur Entdeckung von neuen Wirkstoffen mit geeigneter, nämlichen
diesem Peptid entsprechender Konfiguration und Konformation zu erzeugen.
Somit
lässt sich
das Verfahren auch zur Bindung, Charakterisierung und Validierung
von unbekannten Protein-Targets und von Bindungsstellen für nicht-kompetitive oder
modulatorisch wirkende Wirkstoffe einsetzen. Außerdem ist es möglich, flexible und
instabile Wirkstoffe wie Peptide in rigide Strukturen mit befriedigender
Darreichungsmöglichkeit
umzusetzen.
In
allen genannten Fällen
wird die Strukturprognose dadurch ermöglicht, dass die Substrate
mit einer geeigneten Auswahl an Sorbentien in Kontakt gebracht werden
unter Messung der Bindungsdaten. Dabei sind fehlende oder schwache
Wechselwirkungen für
die Ableitung einer komplementären
Substratstruktur genauso wichtig wie eine starke Bindung. Wenn ein
Substrat beispielsweise eine Aminogruppe enthält, wird die Bindung zum carboxylgruppenhaltigen
Sorbens um einen charakteristischen Betrag größer ausfallen als die Bindung
des gleichen Substrats zu einem Sorbens, das Hydroxylgruppen oder selbst
Aminogruppen trägt.
Ein
wesentlicher praktischer Wert dieser Vorgehensweise liegt im Ausschluss
der Mehrzahl von denkbaren Möglichkeiten
der Bindung, wobei zumindest eine Eingrenzung des Aufwandes auf
eine weiter untersuchbare Anzahl von wahrscheinlichen Bindungskombinationen
erfolgt. Das gleiche Prinzip wird beim Screening benutzt, bei der
Prüfung
eines Substanzgemisches auf darin enthaltene Substanzen mit vorgegebenen
Strukturmerkmalen. Der große
praktische Nutzen ist dabei der ohne zusätzlichen Aufwand erreichte
Ausschluss der großen
Mehrzahl an nicht brauchbaren Substanzen.
Vorzugsweise
erfolgt die Zerlegung in Bausteine so, dass Bausteine erhalten werden,
die in der Bindungsstelle des natürlichen oder synthetischen Substrats
unmittelbar räumlich
benachbart sind. Die räumliche
Anordnung der Bindungsstelle kann dann bei Zerlegung in zwei Bausteine
durch eine lineare Anordnung dieser Bausteine, bei drei Bausteinen durch
ein Dreieck und bei vier Bausteinen durch einen (verzerrten) Tetraeder
charakterisiert werden.
Ist
besagte Bindungsstelle so gestaltet, dass in ihr vorzugsweise drei
oder vier Bausteine mit mindestens jeweils einer zur Bindung befähigten Gruppe vorliegen,
werden an besagter Bindungsstelle stereoisomere Substrate, wie sie
etwa in racemischen Gemischen vorliegen, im Allgemeinen unterschiedlich stark
gebunden.
Demzufolge
können
auch stereoisomere Substrate nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit
Hilfe des erfindungsgemäßen mindestens
einen Sorbens unterschiedlich stark gebunden werden. Diese Eigenschaft
kann für
die Wirkstoffentwicklung herangezogen werden, da bekanntlich stereoisomere
Verbindungen unterschiedliche physiologische Wirkungen besitzen
können.
Das
neue Verfahren stellt somit eine wertvolle Methode zur selektiven
Abtrennung einer oder mehrerer stereoisomerer Verbindungen aus einem Gemisch
von stereoisomeren Verbindungen dar. Beispielsweise kann es zur
Racematspaltung verwendet werden.
Als
weitere stereoisomere Verbindungen, die selektiv gebunden werden
können,
können
Diastereomere, Konformere, geometrische Isomere, wie cis- und trans-Isomere, Epimere,
sowie Anomere, wie α- und β-glykosidische
Zucker, genannt werden.
Aber
nicht nur stereoisomere Verbindungen können mit Hilfe des neuen Verfahrens
selektiv gebunden werden, sondern auch Konstitutionsisomere, d.
h. Verbindungen, die die gleiche elementare Zusammensetzung besitzen,
in denen aber die Elemente relativ zueinander unterschiedlich angeordnet sind.
Denkbar
ist beispielsweise die Trennung annellierter Aromaten, die bei sonst
gleicher Summenformel sich durch die An der Verknüpfung der
Kohlenstoff-Ringe unterscheiden.
Beim
Aufbringen von jeweils mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung
befähigten
Gruppen auf jeweils einen Träger
der Stufe (ii) nach den Verfahren, wie sie nachfolgend beschrieben
werden, lässt
es sich im Allgemeinen nicht vermeiden, dass in dem mindestens einen
gebildeten Sorbens nicht nur bindende Bereiche entstehen, in denen
die gewünschten
mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung befähigten Gruppen
in statistischer Verteilung nebeneinander vorliegen, sondern dass
auch Bereiche entstehen, in denen im Wesentlichen nur gleiche Gruppen
vorliegen, oder Bereiche, in denen diese Gruppen angereichert sind.
Solche Bereiche stören
jedoch bei der selektiven Abtrennung besagten Substrates nicht,
da ein solcher Bereich im Substrat im Allgemeinen schwächer bindet
als ein Bereich, der die mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen
enthält.
Zumeist stößt ein derartiger
Bereich, der im Wesentlichen nur eine zur Bindung befähigte Art
von Gruppen enthält,
besagtes Substrat sogar ab. Insbesondere wirkt dieser Bereich dann
abstoßend,
wenn sich nicht-komplementäre
Gruppen gegenüberstehen.
Generell
werden gegenüberliegende nicht-komplementäre Gruppen
am ersten und zweiten Substrat die Bindung insgesamt schwächen. Diese
Wirkung tritt bereits bei bivalenten Bindungen ein. Wenn als zur
Bindung befähigte
Gruppen beispielsweise der Carboxyl-Rest einerseits und der Amin-Rest
andererseits sowie Phenyl-Rest einerseits und Fluorenyl-Rest andererseits
ausgewählt wurden,
dann ist jede räumliche
Anordnung energetisch relativ ungünstiger, bei der mindestens
einer der polaren Reste einem unpolaren gegenübersteht. Wegen der beweglichen
Anordnung der Polymerketten wird sich das am Sorbens zu bindende
zweite Substrat spontan in der Weise anlagern, dass die maximal mögliche Gibbs-Energie
gewonnen wird.
Diesen
Sachverhalt kann man allgemein auch so ausdrücken, dass einem Paar an zur
Bindung befähigten
Gruppen im Sorbens ein Paar komplementäre Gruppen gegenüberstehen
muss. Eine Bindung zwischen einem Sorbens und einem Liganden erreicht
ihre maximale Stärke,
wenn sich alle beteiligten Gruppen jeweils paarweise bzw. multiplettweise
komplementär
anordnen können.
Bereits
bei der bivalenten Paarung zweier Substrate wird die Richtungsabhängigkeit
deutlich. Diese sterische Lenkung verstärkt sich erheblich beim Übergang
zu trivalenten und tetravalenten Wechselwirkungen. Für eine hohe
Ausbeute an energetisch optimalen Bindungsplätzen braucht man Polymerderivate
mit besonders hoher konformativer Beweglichkeit. Dabei sind Copolymere
denkbar, bei denen zwischen den gebundenen zur Wechselwirkung befähigten Gruppen
Teilbereiche mit hoher konformativer Beweglichkeit eingebaut sind,
z. B. Alkylketten.
Das
molare Verhältnis
bzw. das lokale Konzentrationsverhälnis der mindestens zwei unterschiedlichen
zur Bindung befähigten
Gruppen, die auf das mindestens eine Sorbens aufgebracht werden,
ist für
die selektive Bindung eines Substrats außerordentlich wichtig. Vorzugsweise
muss jede Gruppe am zu bindenden Substrat auch am Sorbens eine zur
Bindung geeignete Gruppe vorfinden.
Vorzugsweise
werden daher auf das Sorbens die mindestens zwei unterschiedlichen
zur Bindung befähigten
Gruppen in einem molaren Verhältnis
aufgebracht, wie es den strukturellen Anforderungen des zu bindenden
Substrats optimal entspricht.
Vorzugsweise
werden auf das Sorbens die mindestens zwei unterschiedlichen zur
Bindung befähigten
Gruppen, die vorzugsweise gleich oder komplementär zu den Gruppen des ersten
oder zweiten Substrats sind, in einem molaren Verhältnis aufgebracht,
wie es auch im zu bindenden Substrat bzw. im nachgebildeten ersten
Substrat vorliegt. Die dazu vorzugsweise verwendeten präparativen
Methoden werden weiter unten beschrieben.
Die
synthetischen oder natürlichen
Substrate der Stufe (i) können
niedermolekular sein, vorzugsweise mit einem Molekulargewicht unter
1000 Da. Es kann sich dabei aber auch um Oligomere oder Polymere,
vorzugsweise Biopolymere, handeln.
Vorzugsweise
ist ein Substrat niedermolekular und das andere Substrat ein Biopolymeres.
Das
zur Bindung von vorzugsweise biologischen Substraten geeignete mindestens
eine Sorbens weist vorzugsweise zur Bindung befähigte Gruppen auf, die auch
für die
Bindung der in der Natur vorkommenden Strukturen oder für die Bindung maßgebender
Teile derartiger Strukturen verantwortlich sind, und die mit dem
vorzugsweise biologischen Substrat in Wechselwirkung treten können. Die
Gruppen werden im Folgenden auch als Rezeptoren oder Rezeptorgruppen
bezeichnet.
Die
mindestens zwei zur Bindung befähigten Gruppen
sind vorzugsweise Bestandteile von Bausteinen oder Teile oder Fragmente
von Substraten mit funktionellen Gruppen. Dabei sind hier insbesondere
Enzym-, Aminosäure-,
Peptid-, Zucker-, Aminozucker-, Zuckersäuren- sowie Oligosaccharid-Gruppen
bzw. Derivate davon, sowie Nukleoside und Nukleotide zu nennen.
Weitere geeignete Substrate sind Pyrimidin- und Purinbasen, wie
Cytosin, Uracil, Thymin, Purin, Adenin, Guanin, Harnsäure, Hypoxanthin,
6-Purinthiol, 6-Thioguanin, Xanthin. Fragmente von Molekülen sind
beispielsweise Phenyl-, Phenol- oder Indol-Reste aus Phenylalanin,
Tyrosin oder Tryptophan, sowie Hydroxyl-, Carboxyl-, Amino- und Amidgruppen.
Essentiell für
die genannten Gruppen ist ausschließlich, dass das in der Natur
vorkommende Bindungsprinzip eines Rezeptors mit einem Substrat beibehalten
bzw. angenähert
wird, so dass mittels des neuen Verfahrens z. B. synthetische Enzyme,
bindende Domänen
von Antikörpern
oder sonstige physiologische Epitope, also molekulare Bereiche,
fertige Hosts, Peptide, Glykopeptide, Epitope von Proteinen, Glykoproteine,
sowie Oligonukleotide eingesetzt werden können.
Als
Aminosäuren
sind vorzugsweise zu nennen:
- – Aminosäuren mit
aliphatischen Resten wie z.B. Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin;
- – Aminosäuren mit
einer aliphatischen Seitenkette, die eine oder mehrere Hydroxylgruppen
umfasst, wie z. B. Serin, Threonin;
- – Aminosäuren, die
eine aromatische Seitenkette aufweisen, wie z. B. Phenylalanin,
Tyrosin, Tryptophan;
- – Aminosäuren, die
basische Seitenketten umfassen, wie z. B. Lysin, Arginin, Histidin;
- – Aminosäuren, die
saure Seitenketten aufweisen, wie z. B. Asparaginsäure, Glutaminsäure;
- – Aminosäuren, die
Amidseitenketten aufweisen, wie z. B. Asparagin, Glutamin;
- – Aminosäuren, die
schwefelhaltige Seitenketten aufweisen, wie z. B. Cystein, Methionin;
- – Modifizierte
Aminosäuren,
wie z.B. Hydroxyprolin, γ-Carboxylglutamat,
O-Phosphoserin;
- – Derivate
der genannten oder von gegebenenfalls weiteren Aminosäuren, beispielsweise
an der oder gegebenfalls den Carboxylgruppen mit beispielsweise
Alkyl- oder Arylresten, die gegebenenfalls geeignet substituiert
sein können,
veresterte Aminosäuren.
Statt
der Aminosäuren
ist auch die Verwendung eines oder mehrerer Di- oder Oligopeptide denkbar,
beispielsweise können
beta-, gamma- oder sonstige strukturisomeren Aminosäuren und
davon abgeleitete Peptide wie z.B. Depsipeptide verwendet werden.
Dabei
ist es auch möglich,
dass mit einem Baustein mindestens zwei unterschiedliche, zur Bindung
befähigte
Gruppen gleichzeitig eingeführt
werden.
Demzufolge
ist das erfindungsgemäße Verfahren
auch dadurch gekennzeichnet, dass ein Baustein mindestens zwei unterschiedliche
zur Bindung befähigte
Gruppen trägt.
Wenn
mehr als vier zur Bindung befähigte Gruppen
im selben Sorbens angebracht werde sollen, dann besteht eine bevorzugte
Ausführung
darin, jeweils mindestens zwei dieser zur Bindung befähigten Gruppen
gemeinsam mittels eines schon fertigen Bausteins in definierter
räumlicher
Anordnung einzuführen.
Dabei werden bevorzugt diejenigen zur Bindung befähigten Gruppen
in einem Baustein angebracht, die bereits im ersten Substrat in
gleicher Weise benachbart waren.
Selbstverständlich ist
es denkbar, mehrere solcher mindestens bivalenten Bausteine nacheinander
oder gleichzeitig in ein Sorbens einzuführen und zudem mit monovalenten
Bausteinen zu kombinieren.
Ein
einfaches Beispiel für
einen bivalenten Baustein ist Fluorenylmethoxycarbonyl-Glutamin, auch
als Fmoc-Glutamin bezeichnet. Hier wird die Carboxylgruppe zur Bindung
an das Sorbens verwendet, wobei der Amidrest zur polaren Bindung
eines Liganden fähig
ist, und die Fluorenylgruppe zur π-π-Wechselwirkung. In ähnlicher
Weise lassen sich Oligopeptide einsetzen, aber auch kammförmige Oligomerderivate.
Vorzugsweise
erfolgt die Bindung besagter Substrate an das mindestens eine Sorbens über Reste
oder Gruppen aus Aminosäuren,
Zuckern, Nukleotiden und Nukleosiden sowie Pyrimidin- und Purinbasen,
welche sich auf dem Sorbens befinden.
Demzufolge
ist die Erfindung auch dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens
zwei unterschiedlichen zur Bindung befähigten Gruppen des mindestens
einen Sorbens ausgewählt
werden unter Gruppen, die Bestandteil von Aminosäuren, Zucker, Nukleotide, Nukleoside,
Pyrimidin- oder Purinbasen sind.
In
einer weiteren Ausführungsform
werden die mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung befähigten Gruppen
des mindestens einen zweiten Substrats ausgewählt unter Gruppen, die Bestandteil von
Aminosäuren,
Zucker, Nukleotide, Nukleoside, Pyrimidin- oder Purinbasen sind.
Durch
das Einfügen
von weiteren Gruppen natürlichen
oder synthetischen Ursprungs, insbesondere synthetischen Ursprungs,
kann die nicht-kovalente Bindungsfähigkeit des Sorbens gezielt
variiert, insbesondere verstärkt
werden.
Beispielsweise
können
Aminosäuren,
die mit synthetischen Schutzgruppen versehen sind, in das neue Verfahren
eingesetzt werden. Beispielsweise können Aminosäuren, die mit dem Fluorenyl-Rest geschützt sind,
eingesetzt werden. Außer
dem Fluorenyl- können
auch Reste wie der Anthracenyl- oder der Naphthylrest verwendet
werden. Hierbei kann durch Ausbildung weiterer nicht-kovalenter
Bin dungen zwischen den aromatischen Ringen der Schutzgruppen und
der bindenden Gruppen des Substrats eine Verstärkung der bindenden Wirkung
erreicht werden. Als weitere Beispiele seien Nitrophenyl- und Oligofluorphenylreste
und andere elektronenreiche oder elektronenarme Aromaten genannt,
die π-π-Wechselwirkungen
ausbilden können.
Das
Sorbens der Stufe (ii) umfasst vorzugsweise einen Träger, der
aus anorganischen oder organischen Materialien oder anorganischen
und organischen Materialien aufgebaut sein kann. Als Trägermaterialien
sind sämtliche
Materialien geeignet, auf die sich die mindestens zwei unterschiedlichen
Gruppen aus Stufe (i) durch geeignete Verfahren aufbringen lassen.
Handelt
es sich bei dem Trägermaterial
um einen Feststoff, so kann seine Oberfläche eben sein, wie beispielsweise
Platten aus Glas oder Metall, oder auch gekrümmt oder in poröse Körper eingebettet, beispielweise
röhren-
oder schwammartig, wie beispielsweise Zeolithe, Kieselgel oder Cellulose-Beads.
Weiter können
die Trägermaterialien
natürlichen Ursprungs
oder synthetischer Natur sein. Als Beispiele seien unter anderem
Gelatine, Kollagen oder Agarose genannt. Auch können poröse und nicht-poröse Harze
sowie Kunststoff- oder Keramikoberflächen verwendet werden.
Es
ist aber auch möglich,
als Träger
eine oder mehrere Flüssigkeiten,
vorzugsweise solche mit hoher Viskosität zu verwenden. Geeignete Verbindungen
sind dann vorzugsweise hochviskose Silikonöle.
Vorzugsweise
liegen die jeweils mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen der
Stufe (i) auf dem Träger
in kovalent gebundener Form an ein Polymeres vor.
Dabei
fallen unter den Begriff „Polymeres" auch höhermolekulare
Verbindungen, die in der Polymerchemie als "Oligomere" bezeichnet werden. Dabei können sowohl
ein Polymeres wie auch Gemische von Polymeren verwendet werden.
Ohne
auf bestimmte Polymere beschränken zu
wollen, seien als mögliche
Polymere u.a. genannt:
- – Polysaccharide, wie z. B.
Cellulose, Amylose und Dextrane;
- – Oligosaccharide
wie z. B. Cyclodextrine;
- – Chitosan;
- – Polyvinylalkohol,
Poly-Threonin, Poly-Serin;
- – Polyethylenimin,
Polyallylamin, Polyvinylamin, Polyvinylimidazol, Polyanilin, Polypyrrol,
Poly-Lysin;
- – Poly(meth)acrylsäure(ester),
Polyitaconsäure, Poly-Asparagin;
- – Poly-Cystein.
Ebenso
sind nicht nur Homopolymere, sondern auch Copolymere und insbesondere
Block-Copolymere und statistische Copolymere prinzipiell geeignet,
um im vorliegenden Verfahren eingesetzt zu werden. Dabei sind sowohl
Copolymere mit nicht-funktionalisierbaren Anteilen wie etwa Co-Styrol
oder Co-Ethylen oder auch Copolymere wie etwa Co-Pyrrolidon zu nennen.
Besagte
Polymere weisen dabei mindestens zwei gleiche oder unterschiedliche
Gruppen auf, über die
die mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung befähigte Gruppen
aus Stufe (i) an das Polymere kovalent gebunden werden können.
Demzufolge
ist eine Ausführungsform
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils mindestens
zwei unterschiedlichen Gruppen in Stufe (ü) kovalent gebunden an ein
Polymeres vorliegen.
Als
unter anderem bevorzugte funktionelle Gruppen des mindestens zwei
gleiche oder unterschiedliche funktionelle Gruppen aufweisenden
Polymeren sind u.a. OH-Gruppen, gegebenenfalls substituierte Amingruppen,
SH-Gruppen, OSO3H-Gruppen, SO3H-Gruppen,
OPO3H2-Gruppen, OPO3HR-Gruppen, PO3H2-Gruppen,
PO3HR-Gruppen, COOH-Gruppen und Gemische
aus zwei oder mehr davon zu nennen, wobei R vorzugsweise einen Alkylrest
bedeutet. Ebenso können
die mindestens zwei gleiche oder verschiedenen funktionelle Gruppen
aufweisenden Polymere auch weitere polare Gruppen, wie beispielsweise
-CN, enthalten.
In
einer Ausführungsform
ist es dabei möglich,
in Stufe (ii) die mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung
befähigten
Gruppen zunächst über die
mindestens zwei gleichen oder unterschiedlichen funktionellen Gruppen
des Polymeren in dieses einzuführen,
wobei ein mit besagten Gruppen derivatisiertes Polymeres entsteht.
Dieses derivatisierte Polymere kann dann auf den Träger aufgebracht
werden.
Die
Derivatisierung des funktionalisierten Polymeren mit den mindestens
zwei Gruppen kann dabei nach bekannten Methoden sowohl in homogener
wie auch heterogener Phase erfolgen.
Bei
Derivatisierung in heterogener Phase kann die Festphasenreaktion
verwendet werden.
Werden
die mindestens zwei gleichen oder unterschiedlichen funktionellen
Gruppen aufweisenden Polymere in homogener flüssiger Phase mit besagten mindestens
zwei unterschiedlichen zur Bindung befähigten Gruppen derivatisiert,
so werden, um eine optimale Löslichkeit
zu erreichen, vorzugsweise gemischtfunktionale oder auch vorderivatisierte
Polymere eingesetzt. Als Beispiele hierfür sind etwa zu nennen:
- – partiell
oder vollständig
silylierte, alkylierte oder acylierte Cellulose;
- – Polyvinylacetat/Polyvinylalkohol;
- – Polyvinylether/Polyvinylalkohol;
- - N-Butylpolyvinylamin/Polyvinylamin.
Ebenso
können
auch Polymer/Copolymer-Gemische verwendet werden. Dabei können alle geeigneten
Polymer/Copolymer-Gemische eingesetzt werden, beispielsweise Gemische
aus den oben bereits genannten Polymeren und Copolymeren, wobei
unter anderem hierbei etwa zu nennen ist:
- – Poly(acrylsäure)-co-Vinylacetat;
- – Polyvinylalkohol-co-Ethylen;
- – Polyoxymethylen-co-Ethylen;
- – modifizierte
Polystyrole, wie z.B. Copolymere des Styrols mit (Meth)acrylsäure(estern);
- – Polyvinylpyrrolidon
und dessen Copolymere mit Poly(meth)acrylaten.
Vorzugsweise
wird das mindestens zwei gleiche oder unterschiedliche funktionelle
Gruppen aufweisende Polymere vor der Derivatisierung mit den mindestens
zwei unterschiedlichen Gruppen mit einem Aktivierungsreagens umgesetzt.
Solche Reagenzien und Verfahren zu deren Verwendung sind beispielsweise
in der WO 00/32649 beschrieben.
Beispielsweise
können
als Aktivierungsreagenzien Verbindungen verwendet werden, die sich vom
Strukturelement des Succinimids ableiten, wobei das am Stickstoff
befindliche Wasserstoffatom durch eine -OCO-Cl-Gruppe ersetzt ist.
Ein Beispiel ist die nachstehend aufgeführte Verbindung.
R3 bis R10 können dabei
vorzugsweise für Wasserstoff,
Alkyl-, Aryl-, Cycloalkyl- und
heterocyclische Reste stehen. Stehen die Reste R3 bis
R10 für Wasserstoff,
so wird die Verbindung im Folgenden auch als ONB-Cl bezeichnet.
Wird
das mindestens zwei gleiche oder verschiedene funktionelle Gruppen
aufweisende Polymere mit einem Aktivierungsreagens umgesetzt, so kann
dieses Umsetzungsprodukt mit geeigneten Verbindungen, die die zur
Bindung besagten Substrats erforderlichen Gruppen besitzen, umgesetzt
werden.
Es
ist auch denkbar, das mindestens zwei gleiche oder verschiedenene
funktionelle Gruppen aufweisende Polymere mit einem Gemisch aus
zwei oder mehr geeigneten Aktivierungsreagenzien umzusetzen. Diese
können
gleichzeitig mit dem Polymeren umgesetzt werden. Ebenso können die
zwei oder mehr Aktivierungsreagenzien auch nacheinander mit dem
Polymeren umgesetzt werden.
Hierbei
können
prinzipiell alle Verbindungen, die mit dem aktivierten Polymeren
reagieren können und
unmittelbar oder mittelbar zum gewünschten Polymeren führen, das
dann derivatisiert ist, verwendet werden. Unter anderem können zur
Derivatisierung Verbindungen eingesetzt werden, die mindestens eine
nucleophile Gruppe aufweisen.
Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, das aktivierte Polymere mit einem aminogruppenhaltigen ein-
oder mehrwertigen Alkohol bzw. Thiol umzusetzen. Wird das mindestens
zwei funktionelle Gruppen enthaltende Polymer beispielsweise mit
ONB-Cl aktiviert, so reagiert der aminogruppenhaltige ein- oder mehrwertige
Alkohol oder das aminogruppenhaltige ein- oder mehrwertige Thiol
selektiv mit der Aminogruppe. Die somit in das Polymer eingeführten OH- oder
SH-Gruppen lassen sich dann in einem weiteren Schritt wieder mit
beispielsweise einem der oben beschriebenen Aktivierungsreagenzien
aktivieren, wodurch Kettenverlängerungen
und Verzweigungen ermöglicht
werden, je nach Wertigkeit der ursprünglich eingesetzten Alkohole
oder Thiole.
In
einer anderen Ausführungsform
ist es auch möglich,
zunächst
Verbindungen, die jeweils mindestens eine unterschiedliche zur Bindung
befähigte
Gruppe enthalten, mit einem Aktivierungsreagens umzusetzen, und
dann mit besagtem Polymeren weiterzureagieren.
Vorzugsweise
werden aktivierte Derivate von Aminosäuren, Zuckern, Nukleotiden,
Nukleosiden, Primidin- und Purinbasen mit dem mindestens zwei gleiche
oder unterschiedliche funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren
umgesetzt. Dabei werden, wiederum in einer bevorzugten Ausführungsweise, die
Verbindungen mit ONB-Cl oder einer Verbindung dieses Strukturtyps
aktiviert werden.
Besagte
Umsetzungen können
zur Polymervernetzung, zur Polymerstabilisierung und zur Polymerverzweigung
verwendet werden.
Besagte
Umsetzungen ermöglichen
es weiterhin, Polymerderivate herzustellen, die verschiedenste räumliche
Anordnungen aufweisen und demzufolge für eine Vielzahl von Anwendungen,
in denen diese räumliche
Anordnung von entscheidender Bedeutung ist, verwendbar sind.
So
lassen sich beispielsweise Anordnungen realisieren, die wie Hairy
Rods, Kammpolymere, Netze, Körbe,
Schalen, Röhren,
Trichter oder Reußen aufgebaut
sind.
Die
Umsetzungen können
dabei in aprotisch-dipolaren und/oder polar-protischen Lösungsmitteln
oder Lösungsmittelgemischen
wie z. B. wäßrigen Lösungsmittelgemischen
erfolgen. Je nach umzusetzendem Polymertyp und verwendetem Aktivierungsreagens
und/oder Verbindungen, die die mindestens zwei unterschiedlichen
zur Bindung befähigten
Gruppen enthalten, können
in diesen Lösungsmittelgemischen
neben Wasser verschiedene weitere Lösungsmittel vorliegen. Bevorzugt
werden hierbei unter anderem Lösungsmittel
wie z. B. aprotisch-dipolare Lösungsmittel
wie z.B. DMSO, DMF, Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, Tetrahydrofuran
oder Methyl-t-butylether eingesetzt.
Der
pH-Wert, der bei den Umsetzungen gewählt werden kann, liegt dabei
im Allgemeinen im Bereich von 4 bis 14, bevorzugt im Bereich von
8 bis 12, und besonders bevorzugt im Bereich von 8 bis 10. Zur Einstellung
eines bestimmten Bereiches des pH-Wertes kann mit geeigneten Pufferlösungen gearbeitet
werden.
Über Lösungsmittel
und pH-Wert können
gezielt die Quell- und Schrumpfeigenschaften des Netzwerks eingestellt
werden, wodurch über
das Netzwerk der Zugang des Substrats zum Sorbens beeinflusst werden
kann.
Der
Derivatisierungsgrad des Polymeren, also der Grad zu dem das funktionalisierte
Polymere mit den mindestens zwei zur Bindung befähigten Gruppen derivatisiert
ist, kann so beeinflusst werden, dass die bestmögliche Wechselwirkung mit dem
Substrat erreicht wird.
Bevorzugt
wird ein Derivatisierungsgrad im Bereich von 1 bis 70%, besonders
bevorzugt im Bereich von 3 bis 60% und insbesondere bevorzugt im Bereich
von 5 bis 50%.
Deshalb
ist es auch möglich,
dass mindestens zwei der gleichen oder unterschiedlichen funktionellen
Gruppen derivatisiert sind, so dass sie als Rezeptorgruppen mit
dem Substrat wechselwirken und mindestens eine, nicht substratspezifisch
wirkende funktionelle Gruppe und/oder eine Monomereinheit ohne funktionelle
Gruppe zwischen zwei dieser derivatisierten Gruppen liegen, und
wobei die funktionellen Gruppen gleich oder verschieden voneinander
sind und ausgewählt
werden aus den oben genannten Gruppen.
Es
ist auch denkbar, dass die in underivatisierter Form im Polymeren
noch vorliegenden funktionellen Gruppen einen Beitrag zur Wechselwirkung mit
dem Substrat leisten.
Möglich ist
auch die Verwendung eines Derivats eines mindestens zwei gleiche
oder unterschiedliche funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren,
in dem eine weitere, nicht substratspezifisch wirkende funktionelle
Gruppe mit einer Endcapping-Gruppe derivatisiert ist.
Durch
geeignete Wahl der Endcapping-Gruppe ist es auch möglich, die
Löslichkeit
des mit der Endcapping-Gruppe oder mit den Endcapping-Gruppen versehenen
Polymerderivats zu beeinflussen und den Erfordernissen bei eventuellen
späteren,
weiteren Umsetzungen anzupassen.
Als
Endcapping-Gruppe kann prinzipiell jede Gruppe gewählt werden,
die eine funktionelle Gruppe inert oder weitestgehend inert gegen
Wechselwirkungen mit dem Substrat macht. Der Begriff "inert" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass die Wechselwirkungen, die das Substrat mit den
Rezeptorgruppen des derivatisierten Polymers eingeht, im Vergleich
zu den Wechselwirkungen, die dieses Substrat mit einer oder mehreren
der durch die Endcapping-Gruppe derivatisierten funktionellen Gruppe
eingeht, so stark sind, dass das Substrat im Wesentlichen nur über die
Rezeptorgruppen gebunden wird.
Ist
es gewünscht, über die
Wechselwirkung zwischen Substrat und Rezeptorgruppe zwei oder mehr
unterschiedliche Substrate, beispielsweise in einem chromatographischen
Prozeß,
zu trennen, so muss die Endcapping-Gruppe die funktionelle Gruppe
gegenüber
möglichen
Wechselwirkungen, wie oben beschrieben, nicht völlig inert machen. In diesem
Fall genügt
es beispielsweise, wenn die Endcapping-Gruppe mit den zwei oder
mehr zu trennenden Substraten genügend schwache oder unspezifische Wechselwirkungen
eingeht, die für
den Trennprozeß keine
Rolle spielen.
Als
Endcapping-Gruppe kann dabei jede geeignete Gruppe gemäß dem Stand
der Technik verwendet werden. Je nach Substrat ist es beispielsweise
denkbar, dass als Endcapping-Gruppe eine Gruppe gewählt wird,
die kein H-Donor ist. Bevorzugt wird dabei
besonders bevorzugt
eingesetzt.
Als
Rezeptor kann in einem mindestens zwei gleiche oder unterschiedliche
funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren jeder weiter oben beschriebene
Rest eingeführt
werden, der durch Umsetzung des Polymeren mit mindestens zwei aktivierten
Derivatisierungsreagenzien, die mindestens jeweils eine nucleophile
Gruppe umfassen, oder durch Umsetzung des aktivierten Polymeren
mit mindestens zwei solcher Derivatisierungsreagenzien erhalten
werden kann.
Bevorzugt
wird ein Derivat eines mindestens zwei gleiche oder unterschiedliche
funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren, wie oben beschrieben,
bei dem mindestens zwei Rezeptoren Reste von Verbindungen oder Gruppen,
die in Verbindungen für die
Bindung verantwortlich sind, umfassen, wobei die Verbindungen ausgewählt sind
aus der Gruppe umfassend Aminosäuren,
Zucker, Nukleotide, Nukleoside, Pyrimidin- und Purinbasen.
Um
das funktionelle Gruppen-aufweisende Polymere mit den genannten
Verbindungen, Derivaten dieser Verbindungen oder Gruppen, die diese Verbindungen
enthalten, oder Mischungen davon zu derivatisieren, kann man nach
dem oben beschriebenen Verfahren vorgehen. So ist es denkbar, zuerst die
Umsetzung beispielsweise einer Aminosäureverbindungen mit einem geeigneten
Aktivierungsreagens durchzuführen
und dann das Umsetzungsprodukt mit dem Polymeren umzusetzen. Ebenso
ist es denkbar, zuerst das Polymere mit einem geeigneten Aktivierungsreagens
zu aktivieren und dann mit der Aminosäure umzusetzen. Natürlich ist
es auch denkbar, Polymeres, Aminosäure und Aktivierungsreagens
direkt zusammenzugeben.
Die
Einführung
von Resten von Zuckern, Nukleotiden, Nukleosiden, Pyrimidin- und Purinbasen oder
von bindenden Gruppen, die in besagten Verbindungen enthalten sind,
oder Mischungen davon, ist in analoger Weise möglich.
Je
nach Wahl der Aminosäuren,
Zucker, Nukleotide, Nukleoside, Pyrimidin- und Purinbasen oder der
entsprechenden Reste oder Derivate oder der bindenden Gruppen, die
in diesen Verbindungen enthalten sind, kann es notwendig sein, eventuell
hierin vorhandene funktionelle Gruppen bei der Derivatisierung und/oder
der Aktivierung mit Schutzgruppen zu schützen. Hierbei sind alle geeigneten
Schutzgruppen möglich,
die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Je nach späterer Verwendung
des Polymeren können
diese Schutzgruppen nach der Derivatisierung am Aminosäure-, Zucker-,
Nukleotid-, Nukleosid-, Pyrimidin- und Purinbasenrest verbleiben oder wieder
abgespalten werden.
Statt
der Aminosäure
ist auch die Verwendung eines oder mehrerer Oligopeptide denkbar.
Um
die Wechselwirkung mit dem Substrat zu optimieren, kann das flüssige oder
in einem Lösungsmittel
bzw. Lösungsmittelgemisch
gelöste
Polymerderivat in Anwesenheit des Substrates, das hierbei als Templat
wirkt, verformt werden.
Dabei
geht man bei der Verformung beispielsweise so vor, dass man in einem
geeigneten Lösungsmittel
oder Lösungsmittelgemisch
ein derivatisiertes Polyme res, wie oben beschrieben, mit dem Substrat
zusammengibt und dem Polymeren die Möglichkeit gibt, dabei eine
oder mehrere energetisch begünstigte
Konformationen einzunehmen.
Dabei
ist es auch denkbar, ein derivatisiertes Polymeres mit verschiedenen
Substraten zusammenzugeben und zu verformen. Weiter ist es auch denkbar,
sollte dies erforderlich sein, verschiedene derivatisierte Polymere
mit einem oder mehreren verschiedenen Substraten zusammenzugeben
und zu verformen.
Es
ist auch denkbar, dass das Derivat des mindestens zwei gleiche oder
unterschiedliche funktionelle Gruppen aufweisenden Polymeren ohne Templat
verformt wird.
Im
Anschluß an
die Verformung kann die Konformation des Polymerderivates, die sich
durch die Verformung in Anwesenheit des Templates gebildet hat,
fixiert werden.
Hierbei
ist es auch möglich,
das verformte Polymere vor der Fixierung auf einen Träger aufzubringen.
Zur
Fixierung sind prinzipiell alle denkbaren Verfahren einsetzbar.
Insbesondere sind hierbei Temperaturänderung, Lösungsmittelwechsel, Fällung und
Vernetzung zu nennen. Bevorzugt wird die Konformation durch Vernetzung
fixiert.
Das
Trägermaterial
und die Form des Trägers
sind dabei im Wesentlichen frei wählbar, wobei das Trägermaterial
jedoch so beschaffen sein muß, dass
das Polymer dauerhaft auf dem Träger
aufgebracht werden kann. Vorzugsweise geht das Trägermaterial,
nachdem das derivatisierte Polymere aufgebracht wurde, mit den zu
trennenden Stoffen keine oder nur eine oder mehrere unspezifische
Wechselwirkungen ein.
Je
nach späterem
Einsatzgebiet kann es erforderlich sein, dass das Trägermaterial
druckstabil ist. Der Begriff "druckstabil" bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass das Trägermaterial
bei Drücken bis
zu 100 bar formstabil ist.
Als
Trägermaterialien
können
die vorstehend genannten Materialien verwendet werden. Die Form des
Trägermaterials
kann dabei den Erfordernissen des Verfahrens angepasst werden und
unterliegt keinen Beschränkungen.
Möglich
sind beispielsweise tabletten-, kugel- oder strangförmige Träger.
Die
Aufbringung auf das Trägermaterial
ist weitgehend frei wählbar.
Möglich
sind beispielsweise das Aufbringen durch Imprägnieren, Eintauchen des Trägers in
eine entsprechende Polymerlösung,
Aufsprühen
des Polymers oder Aufrotieren des Polymers.
Es
ist auch möglich,
das derivatisierte Polymere auf verschiedene geeignete Träger aufzubringen.
Ebenso ist es möglich,
zwei oder mehr voneinander verschiedene derivatisierte Polymere
auf einen oder mehrere geeignete Träger aufzubringen. In einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das derivatisierte, verformte und fixierte Polymere zu einem
porösen
Material verarbeitet. Es bildet dann gleichzeitig den Träger, so dass
kein zusätzliches
Trägermaterial
benötigt
wird. Dabei können
z. B. Beads, unregelmäßige Partikel, Schwämme, Scheiben,
Stränge
oder Membranen erhalten werden.
Dabei
kann eine Konformation fixiert werden, die sich aus einer Art von
derivatisiertem Polymeren gebildet hat. Ebenso ist es aber auch
denkbar, dass die Konformation aus zwei oder mehr voneinander unterschiedlichen
Arten von derivatisierten Polymeren gebildet wurde. Der Begriff "unterschiedliche
Arten von derivatisierten Polymeren" bedeutet hierbei, dass sich die Polymere
beispielsweise hinsichtlich des Basispolymeren oder der Art des
Aktivierungsreagens oder der Art durch Derivatisierung eingeführten Rezeptorgruppen
oder des Aktivierungs grades oder des Derivatisierungsgrades oder
einer Kombination aus zwei oder mehr dieser Merkmale unterscheiden.
Die
Vernetzung kann hierbei beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass zwei oder mehr Stränge
von derivatisierten Polymeren direkt miteinander reagieren. Dies
kann dadurch erreicht werden, dass die durch Derivatisierung eingeführten Gruppen
so beschaffen sind, dass zwischen diesen Gruppen kovalente und/oder
nicht-kovalente Bindungen geknüpft
werden können.
Ganz allgemein ist es denkbar, dass diese kovalenten und/oder nicht-kovalenten
Bindungen zwischen Gruppen ausgebildet werden, die an einem Polymerstrang
hängen,
und/oder zwischen Gruppen ausgebildet werden, die an zwei oder mehr
Polymersträngen
hängen,
so dass durch die Vernetzung zwei oder mehr Polymerstränge über eine
oder mehrere Stellen miteinander verknüpft sein können.
Ebenso
ist es auch denkbar, zur Vernetzung ein oder mehrere geeignete Vernetzungsmittel
einzusetzen, mit denen, wie vorstehend beschrieben, in kovalenter
und/oder nicht-kovalenter Weise Gruppen innerhalb eines Polymerstrangs
und/oder Gruppen, die an mehreren Strängen von gegebenenfalls unterschiedlichen
derivatisierten Polymeren hängen,
vernetzt werden können.
Als
Vernetzungsreagenzien kommen prinzipiell alle geeigneten, aus dem
Stand der Technik bekannten Verbindungen in Betracht. Demgemäß kann die
Vernetzung beispielsweise in kovalent-reversibler Weise, in kovalent-irreversibler
Weise oder in nicht-kovalenter Weise erfolgen, wobei bei Vernetzung
in nicht-kovalenter
Weise beispielsweise Vernetzungen über ionische Wechselwirkung
oder über Charge-Transfer-Wechselwirkung
zu nennen sind.
Als
Vernetzungsreagenzien, die zu kovalent-irreversibler Vernetzung
führen
können,
sind unter anderem zwei- oder mehrfach funktionelle Verbindungen
wie beispielsweise Diole, Diamine oder Dicarbonsäuren zu nennen. Dabei werden
beispielsweise zweiwertige Vernetzer mit dem aktivierten Polymerderivat
umgesetzt oder das mindestens zweiwertige aktivierte Vernetzungsreagens
mit dem nicht-aktivierten
Polymerderivat.
Eine
kovalent-reversible Vernetzung kann beispielsweise durch Knüpfen einer
Schwefel-Schwefel-Bindung zu einer Disulfidbrücke zwischen zwei an einem
oder zwei Polymersträngen hängenden
Gruppen realisiert werden.
Eine
Vernetzung über
ionische Wechselwirkung kann beispielsweise über zwei Reste zustandekommen,
von denen der eine als Struktureinheit ein quartäres Ammoniumion und der andere
als Struktureinheit beispielsweise
aufweist.
Eine
Vernetzung über
Wasserstoffbrücken kann
beispielsweise zwischen zwei komplementären Basenpaaren ausgebildet
werden, beispielsweise über
folgende Struktur:
Ganz
allgemein können
nicht-kovalent zu vernetzende Polymerderivate bezüglich der
Vernetzungsstellen komplementär
aufgebaut sein, wobei zueinander komplementäre Struktureinheiten beispielsweise
Säure/Triamin
oder Uracil/Melamin sind. Ebenso kann bei einer nicht-kovalenten
Vernetzung das Vernetzungsreagens komplementär zu den Vernetzungsstellen
am Polymerstrang sein. Als Beispiel hierfür wären etwa eine Amingruppe am
Polymerstrang und eine Dicarbonsäure
als Vernetzungsreagens zu nennen.
Aus
dem Carboxylat lässt
sich mit Hilfe der aus der Peptid-Chemie bekannten Kupplungsreagenzien
eine Amidbindung zu den Aminogruppen des Polymeren herstellen. In
gleicher Weise wird eine am Polymer kovalent gebundene Carboxylgruppe
mit Aminogruppen im Polyvinylamin vernetzt oder umgekehrt eine gebundene
Aminogruppe mit Carboxyl, z.B. von Polyacrylat.
Der
Vernetzungsgrad kann im Wesentlichen beliebig gewählt werden
und beispielsweise auf die nachstehend beschriebenen Einsatzgebiete
zugeschnitten werden.
In
Stufe (ii) kann die Umsetzung der mindestens zwei unterschiedlichen
zur Bindung befähigten Gruppen
mit dem mindestens zwei Gruppen enthaltendem Polymeren auch in heterogener
Phase erfolgen, d. h. an der festen Oberfläche des Polymeren. Zeckmäßigerweise
wird dann besagtes Polymer in einem Lösungsmittel suspendiert, das
für das
eingesetzte Polymere eine nur geringe Lösekraft besitzt.
Zur
Derivatisierung des Polymeren sowie zum Aufbringen des erhaltenen
Polymeren auf den Träger
können
die vorstehend beschriebenen Aktivierungs- und Derivatisierungsschritte
sowie Vernetzungs- und Beschichtungsmethoden verwendet werden.
Andererseits
ist es auch möglich,
das vorzugsweise in heterogener Phase derivatisierte Polymere ohne
weiteres Trägermaterial
als Träger
zu verwenden.
In
einer weiteren Ausführungsform
können vorzugsweise
die vorstehend beschriebenen und in homogener oder heterogener Phase
hergestellten derivatisierten Polymere schrittweise auf den Träger aufgebracht
werden. Hierbei wird in mindestens einem Schritt mindestens eine
Lage des mindestens einen Polymeren an das Trägermaterial gebunden und in
mindestens einem weiteren Schritt mindestens eine weitere Lage des
mindestens einen Polymeren auf die mindestens eine an das Trägermaterial gebundene
Polymerlage aufgebracht. Die dazu geeigneten Verfahren sind in der
WO 01/38009 beschrieben.
Das
schrittweise Aufbringen des mindestens einen Polymeren kann hierbei
gemäß sämtlicher
geeigneter Verfahren erfolgen, die gewährleisten, dass pro Schritt
mindestens eine Lage des Polymeren aufgebracht wird, so dass eine
lagenförmige
Polymerstruktur auf dem Trägermaterial
aufgebracht wird.
Bei
diesen Verfahren wird in dem mindestens einen Schritt, in dem die
mindestens eine Lage des mindestens einen Polymeren auf dem Trägermaterial gebunden
wird, in einer ersten Ausführungsform
eine Lösung
des mindestens einen Polymeren mit dem Trägermaterial bei Reaktionsbedingungen
in Kontakt gebracht, bei denen das mindestens eine Polymere auf
dem Trägermaterial
nicht gebunden wird und anschließend werden die Reaktionsbedingungen
derart variiert, dass das mindestens eine Polymere auf dem Trägermaterial
gebunden wird, oder in einer zweiten Ausführungsform eine Lösung des
mindestens einen Polymeren mit dem Trägermaterial bei Reaktionsbedingungen
in Kontakt gebracht, bei denen die Lösung des mindestens einen Polymeren
unter Theta-Bedingungen vorliegt.
Hierbei
kann die Lösung,
die gemäß der ersten
Ausführungsform
mit dem Trägermaterial
in Kontakt gebracht wird, ein oder auch mehrere geeignete Lösungsmittel
aufweisen, wobei das mindestens eine Polymere in dem Lösungsmittel
oder Lösungsmittelgemisch
gelöst
oder auch kolloidal gelöst
oder auch suspendiert, beispielsweise in Form einer Nanosuspension,
sein kann.
Dann
werden die Reaktionsbedingungen so gewählt, dass beim Inkontaktbringen
der Lösung
mit dem Trägermaterial
zunächst
keine Bindung des mindestens einen Polymeren an das Trägermaterial erfolgt.
Diese Reaktionsbedingungen werden beispielsweise durch ein oder
mehrere geeignete Lösungsmittel
eingestellt. Bevorzugt werden diesbezüglich Lösungsmittel eingesetzt, in
denen das mindestens eine Polymere so gut löslich ist, dass die Bindung
an das Trägermaterial
unterbleibt.
Im
Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „das Polymer
wird nicht an das Trägermaterial
gebunden", dass
mittels Messung des Verteilungskoeffizienten im Wesentlichen keine
Bindung festgestellt werden kann.
Ebenso
können
diese Reaktionsbedingungen durch geeignete Temperaturwahl erreicht
werden, in dem beispielsweise die Lösung mit dem Trägermaterial
bei so hohen Temperaturen in Kontakt gebracht wird, dass die Bindung
des mindestens einen Polymers an das Trägermaterial unterbleibt.
Weiter
können
diese Reaktionsbedingungen durch geeignete Einstellung des pH-Wertes der Polymerlösung erreicht
werden, falls die Bindung des mindestens einen Polymeren an das
Trägermaterial vom
pH-Wert abhängig
ist.
Ebenso
ist auch denkbar, durch eine geeignete Kombination von zwei oder
mehr dieser Methoden die Bindung des mindestens einen Polymeren
an das Trägermaterial
zunächst
zu verhindern.
Durch
diese spezifische Art der Reaktionsführung wird unter anderem erreicht,
dass Reaktionsbedingungen, unter denen das in der Lösung enthaltene
mindestens eine Polymer ausfällt,
vermieden werden.
Was
das Inkontaktbringen der Lösung
des mindestens einen Polymers mit dem mindestens einen Trägermaterial
anbelangt, so sind prinzipiell alle geeigneten Verfahrensführungen
denkbar.
So
ist es beispielsweise möglich,
eine Lösung,
die das mindestens eine Polymer umfasst, mit dem Trägermaterial
in Kontakt zu bringen. Ebenso ist es denkbar, das Trägermaterial
zuerst mit dem mindestens einen Lösungsmittel in Kontakt zu bringen und
dann in das mindestens eine Lösungsmittel
das mindestens eine Polymer einzubringen. Ebenso ist es möglich, zuerst
das Trägermaterial
mit mindestens einem Lösungsmittel
in Kontakt zu bringen und dann eine Lösung, die das mindestens eine
Polymer umfasst, zuzugeben. Werden zwei oder mehr Polymere eingesetzt,
so ist es denkbar, jedes separat oder zusammen mit einem oder mehreren
anderen Polymeren in jeweils einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch
zu lösen
und die einzelnen Lösungen,
von denen jede mindestens ein Polymer umfasst, zusammen oder getrennt
mit dem Trägermaterial,
das gegebenenfalls bereits gelöst
oder kolloidal gelöst
oder suspendiert in mindestens einem Lösungsmittel vorliegt, in Kontakt
zu bringen.
Prinzipiell
sind die bereits vorstehend beschriebenen Trägermaterialien geeignet, auf
die das mindestens eine Polymere durch Bindung aufgebracht werden
kann. Werden zwei oder mehr voneinander verschiedene Polymere eingesetzt,
so ist es ausreichend, wenn eines der Polymeren durch Bindung auf
das Trägermaterial
aufgebracht werden kann. Es ist auch denkbar, dass zwei oder mehr
verschiedene Polymere durch Bindung auf das Trägermaterial aufgebracht werden
können.
Werden
zwei oder mehr voneinander verschiedene Polymere und zwei oder mehr
voneinander verschiedene Trägermaterialien
verwendet, so ist unter anderem denkbar, dass sämtliche Polymere auf sämtliche
Trägermaterialien
aufgebracht werden können.
Ebenso ist es denkbar, dass ein oder mehrere Polymere auf einem
oder mehreren Trägermaterialien
und ein oder mehrere davon verschiedene Polymere auf einem oder
mehreren davon verschiedenen Trägermaterialien
aufgebracht werden können.
Ferner
können
weitere Polymere und Verbindungen, wie beispielsweise allgemein übliche Hilfsmittel
aufgebracht werden, wobei die Bindung des Polymeren an das Trägermaterial
auch durch andere Wechselwirkungen oder/und Verfahren erreicht werden
kann. Weiterhin können
die in der Lösung
vorhandenen Polymere oder/und Verbindungen nicht auf dem Träger aufgebracht
werden und beispiels weise in der Lösung verbleiben. Unter anderem
ist es denkbar, dass mindestens eines dieser Polymere in einem weiteren
Schritt auf beispielsweise ein Trägermaterial aufgebracht wird,
das vor diesem weiteren Schritt mit der Lösung, die dieses Polymer umfasst, in
Kontakt gebracht wird.
Gemäß der ersten
Ausführungsform
werden nach dem Inkontaktbringen die Reaktionsbedingungen derart
geändert,
dass nun die Bindung des mindestens einen Polymeren an das Trägermaterial
erfolgt. Wie vorstehend beschrieben, ist es denkbar, dass im Falle,
dass zwei oder mehr verschiedene Polymere oder/und zwei oder mehr
verschiedene Trägermaterialien
eingesetzt werden, ein Polymeres an ein Trägermaterial gebunden wird.
Was
die Variation der Reaktionsbedingungen anbelangt, so sind sämtliche Änderungen
denkbar, die dazu geeignet sind, die Bindung mindestens eines der
Polymere an das Trägermaterial
zu ermöglichen.
Im
Falle, dass die Bindung von der Temperatur abhängig ist, ist es beispielsweise
denkbar, die Temperatur entweder zu erhöhen oder zu erniedrigen, je
nachdem, welche Änderung
die Bindung begünstigt.
In ebenfalls bevorzugten Ausführungsformen
wird die Zuammensetzung der Lösung,
die das mindestens eine Polymere enthält, geändert oder diese Lösung langsam
eingeengt.
Was
die Änderung
der Zusammensetzung der Lösung,
die das mindestens eine Polymere enthält, anbelangt, so sind prinzipiell
sämtliche
Verfahren denkbar, die geeignet sind, durch diese Änderung die
Bindung zu ermöglichen.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Lösung,
in der das mindestens eine Polymere enthalten ist, mindestens ein
weiteres Lösungsmittel zugegeben,
das hinsichtlich mindestens eines der Polymeren schlechtere Lösungsmitteleigenschaften aufweist.
In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Zusammensetzung der Lösung
derart geändert,
dass mindestens eine saure oder mindestens eine basische Verbindung
oder ein Gemisch aus zwei oder mehr davon zugegeben werden, durch
die der pH-Wert der Lösung
so geändert
wird, dass die Bindung mindestens eines der Polymeren ermöglicht wird.
Selbstverständlich
ist es auch möglich,
eine oder mehrere Pufferlösungen
zuzugeben, durch die der pH-Wert der Lösung so geändert wird, dass die Bindung
mindestens eines der Polymeren ermöglicht wird.
Ferner
können
geeignete Verbindungen wie beispielsweise Salze, umfassend beispielsweise
Metallkationen, oder geeignete organische Verbindungen zugegeben
werden, durch deren Zusatz die Bindung mindestens eines der Polymeren
erfolgt.
Die
Lösung,
die das mindestens eine Polymere enthält, kann auch derart eingeengt
werden, dass die Konzentration des mindestens einen Polymeren, das
an das Trägermaterial
gebunden werden soll, in der Lösung
weitgehend konstant bleibt. Dieses Einengen der Lösung erfolgt
dann durch eine entsprechend langsame Verfahrensführung, durch die
die Polymerkonzentration weitgehend konstant gehalten wird.
Ferner
können
zwei oder mehr der oben genannten Methoden unter Einschluß der Änderung
der Temperatur in geeigneter Weise kombiniert werden. So ist es
beispielsweise denkbar, sowohl die Zusammensetzung der Lösung wie
beschrieben zu variieren und unterstützend die Lösung langsam einzuengen oder/und
die Temperatur in geeigneter Weise zu variieren.
Je
nach gewählten
Reaktionsbedingungen ist es denkbar, dass ein Polymeres oder mehrere, voneinander
verschiedene Polymere auf das Trägermaterial
aufgebracht werden. Unter anderem ist es denkbar, die Reaktionsbedingungen
derart zu wählen,
dass zwei oder mehr voneinander verschiedene Polymere gleichzeitig
auf das Trägermaterial
aufgebracht werden, wobei eine Lage auf dem Trägermaterial entsteht, die die
zwei oder mehr voneinander verschiedenen Polymeren umfasst.
Werden
zwei oder mehr voneinander verschiedene Trägermaterialien verwendet, so
ist es denkbar, dass auf jedem Trägermaterial eine Lage eines
Polymeres aufgebracht wird, die ein Polymeres oder zwei oder mehr
voneinander verschiedene Polymere umfassen kann.
Weiterhin
ist es auch möglich,
dass in einem Schritt zwei oder mehr Lagen mindestens eines Polymeren
auf das Trägermaterial
aufgebracht werden, wobei die erste Lage des Polymeren an das Trägermaterial
gebunden ist, die zweite Lage des Polymeren an die erste Lage gebunden
ist und gegebenfalls jede weitere Lage des Polymeren an die jeweils
vorhergehende Lage gebunden ist. Dabei kann jede Lage prinzipiell
eine einzige Polymerart oder zwei oder mehr voneinander verschiedene
Polymere umfassen.
Ferner
kann gemäß der zweiten
Ausführungsform
eine Lösung
des mindestens einen Polymeren mit dem Trägermaterial bei Reaktionsbedingungen
in Kontakt gebracht, bei denen die Lösung des mindestens einen Polymers
unter Theta-Bedingungen
vorliegt. Hinsichtlich dieser Ausführungsform erfolgt das Aufbringen
des mindestens einen Polymeren auf das Trägermaterial ganz besonders
bevorzugt während
des Inkontaktbringens der Lösung
mit dem Trägermaterial.
Bevorzugt
wird gemäß dem vorstehend
beschriebenen Verfahren in einem ersten Schritt eine Lage mindestens
eines Polymeren auf das Trägermaterial
aufgebracht und auf diese erste Lage in einem zweiten Schritt eine
zweite Lage und auf die zweite Lage gegebenfalls in einem dritten
Schritt eine dritte Lage und so fort. Bezüglich der geeigneten Methoden
des Aufbringens sei auf obenstehende ausführliche Diskussion verwiesen.
Unter
dem Begriff Bindung des Polymeren an den Träger werden sämtliche
kovalent-reversiblen, kovalent-irreversiblen und nicht-kovalenten Wechselwirkungen
verstanden, über
die das mindestens eine Polymer mit dem Trägermaterial oder/und mit einer
gegebenfalls bereits auf das Trägermaterial aufgebrachten
oder gegebenenfalls auf einer Polymerlage aufgebrachten Polymerlage
wechselwirken kann.
Demgemäß können im
Wesentlichen sämtliche
Polymere eingesetzt werden, die beispielsweise zur Ausbildung solcher
nicht-kovalenten Wechselwirkungen in der Lage sind. Hierbei ist
es unter anderem denkbar, dass mindestens eine funktionelle Gruppe, über die
das Polymer mindestens eine dieser Wechselwirkungen ausbildet, im
Polymerstrang selbst oder/und in mindestens einer Seitenkette des
Polymerstrangs liegt.
Wechselwirkungen
können
jedoch auch beispielsweise über
Kohlenwasserstoffketten und weitere Struktureinheiten, über die
van der Waals-Wechselwirkungen aufgebaut werden können, erfolgen.
Bezüglich der
kovalent-reversiblen Wechselwirkung sind unter anderem beispielhaft
die Bindung über
Disulfidbrücken
oder über
labile Ester oder Imine wie beispielsweise Schiffsche Basen oder
Enamine genannt.
In
einer weiteren Ausführungsform
können sämtliche
der vorstehend beschriebenen Polymere oder/und Copolymere oder deren
Gemische auch in underivatisierter Form auf den Träger aufgebracht werden,
solange gewährleistet
ist, dass sie, wie vorstehend beschrieben, zu mindestens einem Trägermaterial
kovalente oder/und nicht-kovalente Wechselwirkungen ausbilden können.
Zur
Derivatisierung des Polymeren, das auf den Träger aufgebracht ist, können dann
die vorstehend beschriebenen Aktivierungs- und Derivatisierungsschritte
verwendet werden, an die sich noch Vernetzungsschritte anschließen können, wie
sie in der WO 00/32649 und WO 00/78825 beschrieben sind.
In
dieser Ausführungsform
ist das erfindungsgemäße Verfahren
dann dadurch gekennzeichnet, dass vor der kovalenten Bindung der
mindestens zwei unter schiedlichen Gruppen an das mindestens zwei
gleiche oder verschiedenene funktionelle Gruppen aufweisende Polymere
besagtes Polymere auf einen Träger
aufgebracht wird.
In
einer weiteren besonderen Ausführungsform
des Verfahrens kann das mindestens zwei gleiche oder verschiedenene
funktionelle Gruppen aufweisende Polymere auch durch Polymerisation
oder Polykondensation mindestens zweier gleich oder verschieden
funktionalisierter Monomerer direkt auf dem Träger erzeugt werden.
Dabei
können
vorzugsweise olefinisch ungesättigte
Momomere, die vorzugsweise OH-Gruppen, gegebenenfalls substituierte
Amingruppen, SH-Gruppen, OSO3H-Gruppen, SO3H-Gruppen, OPO3H2-Gruppen, OPO3HR-Gruppen,
PO3H2-Gruppen, PO3HR-Gruppen, COOH-Gruppen und Gemische aus
zwei oder mehr enthalten, wobei R vorzugsweise einen Alkylrest bedeutet,
nach den bekannten Methoden miteinander in Anwesenheit des Trägermaterials
polymerisiert werden. Auch können
die Monomeren weitere polare Gruppen, wie beispielsweise -CN, enthalten.
Weitere geeignete Monomere sind beispielsweise Ethylenimin, Allylamin
oder Vinylpyrrolidon.
Als
Polymerisationstechniken seien vorzugsweise die Emulsions-, Suspensions-,
Dispersions- und Fällungspolymerisation
genannt, wobei die Polymerisation in Gegenwart des Träger bzw.
des Trägermaterials
durchgeführt
wird. Die Polymerisation kann durch die üblichen Methoden, beispielsweise
durch Radikalstarter, wie Azoverbindungen oder Peroxide, durch kationische
oder anionische Starter oder durch energiereiche Strahlung initiiert
werden.
In
einer Ausführungsform
ist es möglich,
die Polymerisation so durchzuführen,
dass keine Reaktion zwischen den entstehenden Polymerketten und der
Oberfläche
des Trägers
stattfindet. Diese Ausführungsform
kann vorzugsweise dann angewendet werden, wenn als eines der mindestens
zwei Monomeren ein hydrophi les Monomeres, wie beispielsweise Ethylenimin,
Allylamin oder Vinylpyrrolidon, zum Einsatz kommt. In Gegenwart
eines hydrophilen Trägers,
wie beispielsweise Kieselgel, wird das entstehende Polymere gewöhnlich stark
auf der Trägeroberfläche adsorbiert.
Zur
Erhöhung
der Stabilität
des beschichteten Trägers,
kann das Polymere auch mit dem Träger vernetzt werden. Dies kann
vorzugsweise durch Erhitzen erreicht werden, wobei funktionelle
Gruppen des zunächst
adsorbierten Polymeren mit dem Träger bzw. funktionelle Gruppen
des Trägers
mit dem Polymeren reagieren, wobei die Bindung eintritt.
Es
ist jedoch auch möglich,
die (Co)Polymerisation so durchzuführen, dass das Polymere auf
der Oberfläche
des Trägers
direkt chemisch gebunden wird. Diese Ausführungsform ist dann bevorzugt, wenn
besonders stabile beschichtete Träger hergestellt werden sollen.
Hierzu kann der Träger
mit Gruppen versehen werden, die mit dem auf der Oberfläche des
Trägers
gebildeten Polymerketten unter den Polymerisationsbedingungen reagieren.
Möglich
ist aber auch, dass funktionelle Gruppen des Polymeren mit der Oberfläche des
Trägers
reagieren. Wird als Trägermaterial
Kieselgel verwendet, können
beispielsweise Silanol-Gruppen, die sich auf der Oberfläche des
Kieselgels befinden, an der Polymerisation der mindestens zwei funktionalisierten
Momomeren teilnehmen, wodurch Träger
und Polymeres miteinander verankert werden. Auch ist es möglich, beispielsweise
Vinylsilane auf der Oberfläche
des Trägers
zu verankern, deren Vinylgruppen an der Copolymerisation der mindestens
zwei gleich oder verschieden funktionalisierten Monomeren teilnehmen.
Zur
weiteren Erhöhung
der Stabilität
der gebildeten stationären
Phase kann die Polymerisation der zwei gleich oder verschieden funktionalisierten Monomeren
auch in Gegenwart eines oder mehrerer Vernetzer durchgeführt werden.
Vernetzend wirkende Substanzen sind beispielsweise bifunktionelle Verbindungen,
wie beispielsweise Divinylbenzol oder Ethylenglykoldiacrylat.
Auch
können
mindestens zwei gleich oder unterschiedlich funktionalisierte Monomerbausteine, die
vorzugsweise die vorstehend genannten Gruppen tragen, nach den bekannten
Methoden miteinander in Anwesenheit des Trägermaterials polykondensiert
werden.
Dabei
können
auch die Methoden und Reagenzien auf ONB-Cl-Basis, wie sie in der
WO 00/32649 und WO 00/78825 beschrieben sind, zum Einsatz kommen.
Die
erhaltenen funktionalisierten Polykondensate können vorzugsweise vom Polyphenylen-, Polyester-,
Polyamid-, Polyether-, Polyetherketon-, Polyethersulfon-, Polyurethan-
oder Polysiloxylsilan-Typ sein. Es können bei diesem Reaktionstyp auch
gemischte Polykondensate entstehen. Die Polykondensation kann dabei
in Lösung
wie auch in der Schmelze durchgeführt werden.
Bevorzugt
werden Polykondensate vom Polyester-Typ verwendet. Diese können zur
Erhöhung der
Stabilität
auch durch Zusatz weiterer polyfunktioneller Verbindungen, wie beispielsweise
mehrwertiger Alkohole, beispielsweise Trimethylolpropan, Pentaerythrit
oder Zucker, weiter vernetzt werden. Auch ist die Vernetzung über polyfunktionelle
Isocyanate möglich,
sofern die Polyester Gruppen aufweisen, die mit den Isocyanat-Gruppen
reaktiv sind. Beispielsweise können
Hydroxylgruppen-enthaltende Polyester mit Polyisocyanaten umgesetzt
werden, wobei in die Polyester Urethan-Einheiten eingebaut werden.
Das
erhaltene beschichtete Trägermaterial kann
dann beispielsweise aus der bei Polymerisation bzw. Polykondensation
erhaltenen Reaktionsmischung durch Abfiltrieren isoliert und durch
Auswaschen mit geeigneten Lösungsmitteln
von nicht auf der Oberfläche
des Trägermaterials
gebundenen Polymer- bzw. Polykondensationspartikeln befreit werden.
Demgemäß ist das
erfindungsgemäße Verfahren
auch dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens zwei gleiche oder
unterschiedliche funktionelle Gruppen ent haltende Polymere direkt
auf dem Träger
durch Polymerisation oder Polykondensation von mindestens zwei gleich
oder verschieden funktionalisierten Monomeren erzeugt wird.
Es
auch möglich,
vorstehend beschriebene Polymerisation, die zur Beschichtung des
Trägers führt, analog
zur bekannten „imprinting-Technik" in Anwesenheit des
später
zu erkennenden Substrats durchzuführen. Im Sprachgebrauch dieser
Technik wird für
den Begriff Substrat auch häufig
der Begriff Temlat verwendet.
Vorausetzung
für diese
Polymerisation ist, dass die mindestens zwei gleich oder verschieden funktionalisierten
Monomeren bereits die zur Bindung befähigten Gruppen tragen. Vorzugsweise
trägt dabei
jedes Monomere eine dieser Gruppen, wobei die Gruppen unterschiedlich
sind.
Es
ist aber auch möglich,
Monomere einzusetzen, die bereits mindestens zwei unterschiedliche zur
Bindung befähigte
Gruppen aufweisen.
Vorzugsweise
wird die Polymerisation in Gegenwart porenbildender Substanzen durchgeführt.
Zur
Durchführung
der Polymerisation können
die weiter oben beschriebenen Polymerisatinstechniken verwendet
werden.
Nach
Herauslösen
oder Herausspülen
des Substrats mit geeigneten Lösungsmitteln
wird in Stufe (ii) mindestens ein Sorbens mit einem vorgebildeten
Wechselwirkungsraum für
das Substrat erhalten.
Vorzugsweise
werden für
diese Ausführungsform
die für
die Polymerisation verwendeten Monomeren so ausgewählt, dass
das auf dem Träger gebildete
Polymere ein möglichst
steifes und hochvernetztes Gerüst
besitzt, damit der Wechselwirkungsraum möglichst stabil ist. Vorzugsweise
werden daher als mindestens eines der funktionalisierten Monomere
Acrylsäure
oder Methacrylsäure
oder deren Derivate oder Mischungen davon eingesetzt, die bekanntlich
die Herstellung von Polymerisaten oder Copolymerisaten mit hohen
Glasübergangstemperaturen
erlauben. Als besonders gut für
diesen Zweck geeignete Monomere seien beispielsweise Methacrylsäure und
Ethylenglykoldimethacrylat genannt.
Als
weiteres Beispiel sei die Polymerisation von Methacrylsäure mit
Hydroxyethylacrylat genannt, wobei ein Polymeres erhalten wird,
das als zur Bindung befähigte
Gruppen Carboxyl- und Hydroxylgruppen enthält.
Es
ist aber auch möglich,
die weiter oben beschriebene Polykondensation, die zur Beschichtung des
Trägers
führt,
in Gegenwart des später
zu erkennenden Substrats durchzuführen, wobei als Monomere solche
Verbindungen eingesetzt werden, die bereits unterschiedliche zur
Bindung befähigte
Gruppen aufweisen. Vorzugsweise weist dabei jedes Monomere eine
dieser Gruppen auf, wobei die Gruppen unterschiedlich sind.
Es
ist aber auch möglich,
Monomere einzusetzen, die bereits mindestens zwei unterschiedliche zur
Bindung befähigte
Gruppen aufweisen.
Nach
Herauslösen
oder Herausspülen
des Substrats mit geeigneten Lösungsmitteln
wird in Stufe (ii) mindestens ein Sorbens mit einem vorgebildeten
Wechselwirkungsraum für
das Substrat erhalten.
Demzufolge
ist diese Ausführungsform
auch dadurch gekennzeichnet, dass das Polymere direkt auf dem Träger durch
Polymerisation oder Polykondensation mindestens eines Monomeren,
das mindestens zwei unterschiedliche zur Bindung befähigten Gruppen
aufweist, oder von mindestens zwei Monomeren, die jeweils mindestens
eine zur Bindung befähigte
Gruppen aufweisen, wobei besagte Gruppen unterschiedlich sind, hergestellt
wird, und die Polymerisation oder Polykondensation in Gegenwart des
später
zu bindenden Substrats stattfindet.
Vorzugsweise
erfolgt in den Ausführungsformen,
in denen die Polymerisation oder Polykondensation besagter Monomerer
direkt in Gegenwart des Trägers
durchgeführt
wird, in Gegenwart mindestens eines zweiten oder dritten Monomeren,
das keine zur Bindung befähigte
Gruppe besitzt. Das mindestens eine zweite oder dritte Monomere
hat dabei die Funktion eines Spacers.
Es
ist nicht unbedingt erforderlich, dass die zur Bindung des mindestens
bivalenten Substrats an das mindestens eine Sorbens benötigten mindestens zwei
unterschiedlichen Gruppen gebundenen an ein Polymeres vorliegen.
Es ist auch möglich,
die Gruppen ohne Verwendung eines Polymeren in Stufe (ii) direkt
auf der Oberfläche
des Trägers
zu immobilisieren.
Vorzugsweise
wird die Immobilisierung direkt auf dem Träger dann durchgeführt, wenn
dieser aus einem anorganischen Material aufgebaut ist. Als anorganisches
Material sind vorzugsweise Kieselgel oder Aluminiumoxid zu nennen.
Vorzugsweise
erfolgt die Immobilisierung über
Aktivierungs- und/oder Silanisierungsreagenzien. Die Verküpfung mit
der Oberfläche
des Trägers kann
auch unter Verwendung eines Spacers durchgeführt werden.
Vorzugsweise
können
als AktivierungsReagenzien die in der WO 00/32648 beschriebenen
eingesetzt werden.
Silanisierungsreagenzien
umfassen auch vorzugsweise solche Siliciumverbindungen, die eine Hydrosilylierungreaktion
eingehen können.
Vorzugsweise
werden als Silanisierungsreagenzien Halogensilane, bevorzugt Chlorsilane,
Alkoxysilane und Silazane eingesetzt.
Hierbei
kann in einer Ausführungsform
eine Verbindung, die die zur Bindung des Substrats aufzubringende
benötigte
Gruppe besitzt, zunächst
mit einer geeigneten Siliciumverbindung umgesetzt werden. Das Produkt
kann anschließend
mit Hydroxyl-Gruppen, die sich auf der Oberfläche des Trägers befinden, unter Ausbildung
einer kovalenten Sauerstoff-Silicium-Bindung immobilisiert werden.
Beispielsweise können
Alkylreste, die auch gegebenenfalls substituiert sein können, beispielsweise
mit Amino-, Harnstoff-, Ether-, Amid- und Carbamatgruppen, unter
Verwendung alkylierter Silane auf diese Weise auf der Oberfläche immobilisiert
werden.
Beispielsweise
ist es auf diese Weise möglich,
den 3-Aminopropylrest über
ein Siliciumatom auf der Oberfläche
des Trägers
zu immobilisieren. Die Aminogruppe kann dann weiter umgesetzt werden, beispielsweise
mit Säurechloriden
zu Amiden. Es können
aliphatische, vorzugsweise aber aromatische Säurechloride verwendet werden,
sowie aktivierte Bausteine, insbesondere ONB-aktivierte Bausteine, wie
sie beschrieben sind in der WO 00/32649 und WO 00/78825.
Beispiele
für Siliciumverbindungen,
mit denen Alkylreste auf den Träger
aufgebracht werden können,
sind Methyl- und Octyltrichlorsilan, mit denen relativ kurze bzw.
mittlere Alkylreste eingeführt werden
können,
sowie Octadecyl-, Docosyl- und Tricontyltrichlorsilan, mit denen
relativ lange Ketten eingeführt
werden können.
Mit 3-Aminopropyl-triethoxysilan ist beispielsweise die Einführung eines
eine Aminogruppe enthaltenden kurzkettigen Alkylrests möglich.
Ferner
ist auch die Verwendung von Silylglycidylethern möglich, die
nach Hydrolyse Diole bilden, die auch als Diolphasen bezeichnet
werden.
Andererseits
ist es auch möglich,
zunächst die
Oberfläche
des Trägers
mit einer Siliciumverbindung umzusetzen, die noch eine oder mehrere
funktionelle Gruppen besitzt. Anschließend können die zur Bindung ausgewählten oder
ermittelten Gruppen, die auf dem Träger immobilisiert werden sollen, über geeignete
Verbindungen über
die eine oder mehrere funktionellen Gruppen eingeführt werden.
Beispielsweise
können
zum Aufbringen auf die Oberfläche
des Trägers
Siliciumverbindungen verwendet werden, die noch eine Doppelbindung
besitzen. Über
besagte Doppelbindung können
dann die die zur Bindung vorgesehenen Gruppen eingeführt werden
können.
Beispiele für
geeignete Siliciumverbindungen sind Vinylsilan oder (Meth)Acryloxypropyltrimethoxysilan.
Die
beschriebenen Methoden können
auch in Kombination verwendet werden.
Gegebenenfalls
kann die Anbindung der zur Bindung vorgesehenen Gruppen auch über einen Spacer
erfolgen, wobei vorzugsweise eine kurzkettige Kohlenstoffkette zwischen
der zu immobilisierenden Gruppe und dem Träger eingebaut wird. Die Verknüpfung von
Träger
und zu immobilisierender Gruppe kann vorzugsweise über geeignete
Carbodiimide, wie beispielsweise Dicyclocarbodiimid, Diisopropylcarbodiimid,
N-Cyclohexyl-N'-2-(N-methylmorpholino)-ethylcarbodümid-ptoluolsulfonat, N-Ethyl-N'-(3-dimethylaminopropyl)carbo-diimid-hydrochlorid,
Chloroformiate, Carbonyldiimidazole oder Diisocyanate, wie Hexamethylendiisocyanat,
erfolgen. Auch homo- oder heterotelechele Polyethylenglykole können verwendet
werden.
Bei
Verwendung eines Spacers entsteht vorzugsweise eine bürstenförmige Phase,
bei der die mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung befähigten Gruppen
vorzugsweise entweder am Ende des Spacers und/oder seitlich am Spacer
gebunden sind.
Demzufolge
ist diese Ausführungsform
auch dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe (ii) die mindestens zwei
unterschiedlichen zur Bindung mit einem zweiten Substrat befähigten Gruppen über ein Reagenz
auf einen Träger
aufgebracht wird, das ausgewählt
wird aus der Gruppe umfassend AktivierungsReagenzien, SilanisierungsReagenzien
und Spacer, oder Gemische aus zwei oder mehreren dieser Reagenzien.
Es
hat sich für
die substratspezifische Bindung als ungünstig erwiesen, Sorbentien
einzusetzen, die als die mindestens zwei unterschiedlichen zur Bindung
befähigten
Gruppen die beim Stand der Technik beschriebenen Gruppen aufweisen,
nämlich Hydroxylgruppen
aus dem Kieselgelgerüst
bzw. Silanol- und Alkylgruppen, die über das Silanisierungsreagenz
eingebracht werden. Somit ist eine Kombination aus den Gruppen Hydroxyl,
Silanol und Alkyl oder Hydroxyl und Alkyl oder Silanol und Alkyl,.
wobei die Gruppen jeweils an Kieselgel immobilisiert sind, von der
Erfindung ausgeschlossen.
Besonders
gut geeignete Gruppen im Sinne der Erfindung sind hingegen Gruppen
wie der Phenyl-, der Hydroxyphenyl-, der Carboxyl-, der Amin- und
der Amid-Rest sowie
der Hydroxyl-, Indol-, Imidazol- und Guanidin-Rest. Vorzugsweise
werden diese Reste über
einen Spacer unter Ausbildung einer bürstenförmigen Phase an die Oberfläche des
Trägers
gebunden.
Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
ist demzufolge dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe (ii) die mindestens
zwei unterschiedlichen zur Bindung mit einem zweiten Substrat befähigten Gruppen
ausgewählt
sind aus der Gruppe bestehend aus Phenyl-, Hydroxyphenyl-, Carboxyl-,
Amin-, Amid-, Hydroxyl-, Indol-, Imidazol- und Guanidin-Rest.
Das
nach den vorstehend beschriebenen Methoden hergestellte mindestens
eine Sorbens kann nach den üblichen
Methoden zu vorzugsweise Folien, Filme, Mikrotiterplatten oder Nanobeads
verarbeitet werden. Vorzugsweise wird das mindestens eine Sorbens
der Stufe (ii) im Nanoformat hergestellt und verwendet.
Das
zu bindende Substrat bzw. das aus einem Substratgemisch selektiv
zu bindende Substrat wird nun in Stufe (iii) mit dem mindestens
einen Sorbens in Kontakt gebracht. Dabei kann das Substrat bzw.
das Substratgemisch in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase
vorliegen, oder auch in Mischungen aus zwei oder mehr dieser Phasen.
Vorzugsweise
liegen Substrat bzw. Substratgemisch in flüssiger Phase vor. Einsetzbar
sind dabei Lösungen
wie auch Suspensionen oder Dispersionen des Substrats bzw. Substratgemischs.
Als Flüssigkeiten
können
sowohl Wasser wie auch organische Lösungsmittel, Gemische organischer
Lösungsmittel
und Gemische umfassend Wasser und organische Lösungsmittel verwendet werden.
In allen Fällen
können
Puffer, Salze, Säuren,
Basen oder Modifier, wie beispielsweise Ionenpaarreagenzien, in
beliebiger Konzentration in der Flüssigkeit vorhanden sein. Vorzugsweise
ist die Konzentration 10 mmolar bis 2 molar bezogen auf einen Liter
Flüssigkeit.
Vorzugsweise liegt das zu bindende Substrat in wässeriger Form vor, beispielsweise
als Körperflüssigkeit.
Zur
Prüfung
der Bindung bzw. des Bindungsverhaltens des Substrats an das Sorbens
können
die bekannten Verfahren und Methoden herangezogen werden. Unter
Bindung zwischen Sorbens und Substrat wird dabei vorzugsweise die
nicht-kovalente Bindung
verstanden.
Unter
nicht-kovalenter Bindung sind dabei vorzugsweise die eingangs beschriebenen
Wechselwirkungen zu verstehen.
Es
ist jedoch auch möglich,
dass das mindestens eine Substrat kovalent-reversibel oder kovalent-irreversibel
an das mindestens eine Sorbens gebunden wird.
Vorzugsweise
eignen sich in Stufe (iv) zur Prüfung
der Bindungsstärke
des mindestens einen zweiten Substrats an das mindestens eine Sorbens der
Stufe (iii) chromatographische Verfahren und Auswertungsmethoden.
Insbesondere zu nennen sind säulenchromatographische
Verfahren, beispielsweise die bekannte HPLC-Methode. Das mindestens
eine Sorbens wird hierbei als stationäre Phase der Säule verwendet.
Aus der Reihenfolge der eluierten Substrate kann unmittelbar auf
deren Bindungsstärke
an das jeweils verwendete Sorbens geschlossen werden. Das am stärksten gebundene Substrat
wird zuletzt eluiert.
Es
können
Frontalanalysen durchgeführt werden,
bei der verdünnte
Lösungen
des zu trennenden Substratgemischs kontinuierlich auf die stationäre Phase
aufgegeben werden. Das am stärksten
gebundene Substrat kann so von den weniger stark gebundenen unterschieden
werden, da letztere zuerst im Eluat erscheinen.
Aber
auch die bekannten Elutionstechniken sind durchführbar, wobei relativ konzentrierte
Lösungen
des Substratgemischs auf den Säulenkopf
aufgegeben und dann mit einem Fließmittel eluiert werden. Die
schwach gebundenen Substrate erscheinen zuerst im Eluat. Das am
stärksten
gebundene Substrat kann dann gegebenenfalls auch durch Verwendung
eines stärker
eluierenden Fließmittels
vom Sorbens desorbiert werden.
Vorteilhaft
kann auch die Mikrocalorimetrie eingesetzt werden. Hierbei wird
die bei der Bindung des Substrats an das Sorbens frei werdende Adsorptionswärme gemessen.
Eine
weitere vorteilhaft anwendbare Methode ist die Surface Plasmon Resonance-Methode, bei der
die Resonanzfrequenz anregbarer Elektronen bestimmt wird, die von
den physikalischen Eigenschaften der Grenzschicht von Substrat und
Sorbens, also auch der Bindungsstärke, abhängig ist.
Vorteilhaft
kann auch als Prüfmethode
Fluoreszenz-Labeling zum Einsatz kommen, wobei die mit einem fluoreszierende
Farbstoff markierten Substrate nur dann fluoreszieren, wenn sie
mit dem komplementären
Rezeptor wechselwirken.
Eine
weitere Methode ist die Enzyme Linked Immunosorbent Assay-Methode
(Elisa), bei der beispielsweise Antigene, die an das Sorbens gebunden sind,
durch Behandeln mit Immunreagenzien nachgewiesen werden können. Auch
kompetitive und nicht-kompetitive Assays sind einsetzbar, darunter Radioassays.
Demgemäß ist diese
Ausführungsform
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung der
Bindungsstärke
des Substrats an das Sorbens in Stufe (iv) ein Verfahren ausgewählt aus
der Gruppe umfassend Chromatographie, Mikrocalorimetrie, Surface
Plasmon Resonance, Fluoreszenz-Labeling, kompetitive und nicht-kompetitive
Assays, darunter Radioassay und Elisa verwendet wird.
Aus
der Bindungsstärke
kann eine Aussage getroffen werden, welches der Sorbentien beziehungsweise
welche der darauf aufgebrachten Gruppen für die Bindung des Substrats
verantwortlich sind. Diese Methode erlaubt somit, das betreffende Substrat
zu isolieren, zu identifizieren und zu charakterisieren. Damit ist
die Validierung von Funktion und Eigenschaften des Substrats möglich.
Demzufolge
ist das Verfahren zur selektiven Bindung besagten Substrats auch
dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich die Stufe (v) umfasst:
- (v) Isolierung des mindestens einen zweiten
Substrats.
Weiter
ist das Verfahren zur selektiven Bindung besagten Substrats auch
dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich die Stufe (vi) umfasst:
- (vi) Charakterisierung und Identifizierung
des mindestens einen zweiten Substrats.
Die
nach dem neuen Verfahren hergestellten Sorbentien eigenen sich insbesondere
zur selektiven Bindung von natürlichen
Substraten oder natürlichen Wirkstoffen
sowie synthetischer Wirkstoffe. Diesen Substraten und Wirkstoffen
ist gemeinsam, dass sie einen Pharmakophor besitzen, also eine räumliche Anordnung
von Gruppen, die die Grundlage für
die biologische Wirkung in lebenden Organismen bilden. Der Pharmakophor
verankert den Wirkstoff in der Bindetasche des natürlichen
Rezeptors. Der Pharmakophor ist an ein Gerüst, das in der angelsächsischen
Literatur auch als scaffold bezeichnet ist, verankert.
Natürliche Substrate
und Wirkstoffe umfassen vorzugsweise Aminosäuren, Oligopeptide, Nukleotide,
Nukleoside, Proteine, Glukoproteine, Antigene, Antigen-Determinanten, Antikörper, Kohlenhydrate,
Enzyme, Co-Enzyme, Fermente, Hormone, Alkaloide, Glykoside, Steroide,
Vitamine, Metabolite, Viren, Mikroorganismen, Inhaltstoffe pflanzlicher
und tierischer Gewebe, Zellen, Zellfragmente, Zellkompartimente,
Zellaufschlüsse,
Lectine, Flavyliumverbindungen, Flavone und Isoflavone.
Im
Rahmen der Erfindung ist es besonders interessant, natürliche Rezeptoren
und Enzyme oder sonstige Proteine mit pharmakologischer Wirksamkeit
zu zerlegen, erfindungsgemäß mit ihrer
Hilfe eine Kollektion von Sorbentien zu erstellen und erfindungsgemäß zu verwenden.
Derartige Rezeptoren sind vorzugsweise intrazelluläre oder
membranständige
Proteine, die synthetische oder natürliche Wirkstoffe zu binden
vermögen.
Intrazelluläre Rezeptoren
können
aus Zytoplasma und aus Zellkernen erhalten werden. Solche Rezeptoren
bzw. Sorbentien, die mindestens zwei bindende Gruppen dieser Rezeptoren
enthalten, können
zur selektiven Bindung von Steroidhormonen, wie Glucocorticoiden,
Mineralocorticoiden, Androgenen, Estrogenen, Gestagenen, Vitamin-D-Hormonen,
sowie von Retinoiden oder Schilddrüsenhormonen verwendet werden.
Membranständige Rezeptoren,
deren bindende Gruppen erfindungsgemäß auf Sorbentien aufgebracht
werden können,
sind Guanin-Nukleotid-Proteingekoppelte Rezeptoren, Ionenkanal-Rezeptoren
sowie Enzym-assoziierte Rezeptoren.
Zu
der Gruppe der Guanin-Nukleotid-Protein-gekoppelten Rezeptoren gehören für die medikamentöse Therapie
besonders wichtige Neurotransmitter-Rezeptoren, wie Adenosin- und adrenergene Rezeptoren,
ATP-(P2Y-)-, Dopamin-GABAB-, (metabotrope) Glutamat-, Histamin-, Muscarin-,
Opioid- und Seroto nin-Rezeptoren. Auch Hormon- und Mediator-Rezeptoren,
z. B. von Adiuretin, Glucagon, Somatostatin und Prostaglandine,
zählen
zu dieser Gruppe.
Ionenkanal-Rezepzoren
umfassen ATP-(P2X-), GABAA-, (ionotrope)
Glutamat-, Glycin-, 5-HT3- und Nicotin-Rezeptoren.
Zu
den Enzym-assoziierten Rezeptoren zählen Rezeptoren mit Tyrosinkinase-Aktivität, mit assoziierten
Tyrosinkinasen, mit Guanylatcyclase-Aktivität sowie Rezeptor-Serin-/Threoninkinasen.
Synthetische
Wirkstoffe umfassen vorzugsweise Pharmazeutika und Pflanzenschutzmittel.
Pharmazeutika
sind beispielsweise Substanzen mit Wirkung auf das Nervensystem
(Psychopharmaka, Schlafmittel, Analeptika, Analgetika, Lokal- und
Allgemeinanästhetika,
Muskelrelaxantien, Antikonvulsiva, Antiparkinsonmittel, Antimetika,
ganglionär
angreifende Substanzen, am Symphatikus angreifende Substanzen, am
Parasympatikus angreifende Substanzen); mit Wirkung auf das Hormonsystem
(Hypothalmus-, Hypophysen-, Schilddrüsen-, Nebenschilddrüsen- und
Nierenhormone, Thymushormone, das Inselorgan des Pankreas-, der
Nebennieren-, der Gonaden-beeinflussende Substanzen); mit Wirkung
auf Mediatoren (Histamin, Serotonin, Eicosanoide, Plättchen-aktivierende
Faktoren, Kinine); mit Wirkung auf das Herz-Kreislauf-System; mit
Wirkung auf den Respirationstrakt (Antiasthmatika, Antitussiva,
Expetorantien, Surfactant); mit Wirkung auf den Magen-Darm-Kanal
(Verdauungsenzyme, Hepatika); mit Wirkung auf die Niere und ableitende
Harnwege (Diuretika); mit Wirkung auf das Auge (Ophtalmika); mit
Wirkung auf die Haut (Dermatotherapeutika); Substanzen zur Prophylaxe
und Therapie von Infektionserkrankungen (antibakteriell wirksame
Pharmaka, Antimykotika, Chemotherapeutika für Viren- und Protozoenerkrankungen,
Anthelminthika); mit Wirkung auf maligne Tumoren (Antimetaboliten,
Zytostatika, Topoisomerase-Hemmstoffe, Mitosehemmstoffe, zytostatisch
wirksame Antibiotika, Hormone und Hormonantagonisten); mit Wirkung
auf das Immunsystem und immunologisch wirksame Stoffe (Seren, Immunmodulatoren,
Immunsuppressiva).
Pflanzenschutzmittel
sind beispielsweise Insektizide, Herbizide, Pestizide und Fungizide.
Als
beispielhafte Verbindungen und Verbindungsklassen synthetischer
Wirkstoffe seien genannt Phenothiazine und Phenothiazinanaloge,
Butyrophenone und Diphenylbutylpiperidine, Benzamide, Benzodiazepine,
Hydoxytryptophane, Coffeine, Amphetamine, Opioide und Morphine,
Phetidine und Methadone, Salicyl- und
Acetylsalicylsäurederivate, Arylpropionsäurederivate,
Anthranilsäurederivate, Anilinderivate,
Pyrazolderivate, Sulfapyridine, Hydroxychloroquin und Chloroquin,
Penicillamin, N-methylierte Barbiturate und Thiobarbiturate, Dipropylessigsäuren, Hydantoine,
Dopamine, Noradrenolin und Adrenolin, Mutterkornalkaloide, Carbaminsäure-Derivate,
Phosphorsäureester,
Belladonna-Alkaloide, Hypophthalmushormone, HVL-Hormone, Hypophysenhinterlappenhormone,
Thiouracile und Mercaptoimidazole, Sulfonylharnstoffe, Histamine,
Triptane, Prostaglandine, Dipyradimole, Hirudin und Hirudinderivate,
Thiazide, Psoralene, Benzoylperoxid und Azeleinsäure, Vitamin A, Vitamin K,
Vitamin B1, B2, B6, Nicotinsäureamid, Biotin, Vitamin B12, Vitamin C, Halogenverbindungen, Aldehyde,
Alkohole, Phenole, N-haltige Heterocyclen, Pyrethrine und Pyrethroide, Phosphorsäureester,
Thiophosphorsäureester,
Carbaminsäureester, β-Lactame,
Aminogylcoside, Tetracycline, Fluorchinolone, Oxazolidinone, Diaminobenzylpyrimidine,
Pyrazinamide, Griseofulvin, Aziridine, Actinomycine, Anthracycline,
Zytokine, monoklonale und polyklonale Antikörper. Ferner können Antigen-Determinanten, Lectine,
Flavyliumverbindungen, Flavone und Isoflavone sowie Mono- und Oligosaccharide
genannt werden.
Die
synthetischen Wirkstoffe können
auch unter Verwendung natürlicher
Wirkstoffe aufbereitet sein. Ferner umfasst der Begriff auch potenzielle Wirkstoffe sowie
Substanzen, die Pharmakophore tragen, sowie das Gerüst (scaffold),
an dem besagte Pharmakophore verankert sind.
Wie
eingangs bereits erwähnt,
ist das neue Verfahren zur selektiven Abtrennung besagten Substrats
insbesondere dazu geeignet, Informationen darüber zu erhalten, ob ein beliebiges
Substrat mit einem natürlichen
Rezeptor überhaupt
in Wechselwirkung treten kann. Umgekehrt ist es auch möglich, unter
Verwendung von z. B. allen für
die Substraterkennung relevanten Gruppen Bibliotheken von synthetischen
molekularen Bereichen, also Epitopen, herzustellen, deren Bestandteile
jeweils zwei, drei oder auch mehr unterschiedliche Wechselwirkungstellen enthalten.
Wenn man z. B. einen bekannten Wirkstoff in Kontakt mit diesen synthetischen
Rezeptorbibliotheken bringt, wird eine Wahrscheinlichkeitsaussage erhalten über die
Art der Bindungsstelle am natürlichen
Rezeptor.
Bei
der Erfindung wird somit ein neues Komplementaritätsprinzip
angewendet, das auf Seiten des Rezeptors bzw. Sorbens und auf Seiten
des Substrats jeweils mindestens zwei unterschiedliche Reste von
Verbindungen oder Gruppen, die in Verbindungen für die Bindung verantwortlich
sind, umfassen. Vorzugsweise werden dabei die Verbindungen ausgewählt aus
der Gruppe umfassend Aminosäuren, Zucker,
Nukleotide, Nukleoside, Pyrimidin- und Purinbasen.
Von
allen möglichen
Kombinationen dieser bivalenten molekularen Bereiche untereinander
ist allerdings nur eine kleine Auswahl kompatibel komplementär, d. h.
in ihrer Wechselwirkung energetisch günstig. Die Mehrzahl der Kombinationen
ist energetisch ungünstig,
z. B. alle Paarungen von hydrophoben Resten einerseits und hydrophilen
Resten andererseits, oder alle Reste, die sich abstoßen.
Kompatibel
sind beispielsweise die Kombinationen der zur Bindung befähigten paarweisen Gruppen
OH-/Phenyl- mit Amino-/Alkyl-Rest, aber nicht OH-/Phenyl- mit Alkyl-/Amino-Rest, da nur
die hydrophilen OH- und Amino-Reste sowie die hydrophoben Phenyl-
und Alkylreste einander binden. Weitere kompa tible Kombinationen
sind beispielsweise Carboxyl-/Amino- mit Amino-/Carboxylrest sowie Imidazol-/Hydroxyl-
mit Amid-/Amid-Rest. Nicht-kompatibel
im Sinne dieser Betrachtung ist die Kombination Hydroxyl-/Phenyl- mit Alkyl-/Amino-Rest,
da ein hydrophiler keinen hydrophoben Rest zu binden vermag.
Bei
zwanzig natürlichen
Annosäuren
ergeben sich für
Dublette von Bausteinen mit jeweils mindestens einer zur Bindung
befähigten
Gruppe insgesamt 380 Varianten. Für eine Bibliothek, die lediglich die
sinnvollen Strukturvarianten beinhaltet, braucht man allerdings
wesentlich weniger dieser synthetischen Dublette von Bausteinen,
die man auch als Dublett-Rezeptoren bezeichnen kann, weil bei einer Reihe
von Aminosäuren
die Funktionalität
gleich ist, wie z. B. bei Threonin und Serin, bei Glutamin und Asparagin,
bei Valin, Isoleucin und Leucin, usw.. Es ist daher im Allgemeinen
ausreichend, von diesen zwanzig Aminosäuren vorzugsweise lediglich
bis zu sieben zu verwenden.
Da
die beweglich angebrachten Rezeptorgruppen im synthetischen Rezeptor
ihre Raumkoordinaten entsprechend der Anforderungen des Substrats
verändern
können,
werden häufig
für den
gewünschten
Bindungszweck nicht die Aminosäuren selbst
mit ihren unterschiedlich langen Ketten benötigt, sondern nur das für die Wechselwirkung
benötigte
Prinzip. In diesem Sinn sind oftmals die Funktionen von beispielsweise
Arginin, Lysin, Tryptophan und Histidin einfach durch Aminogruppen
darstellbar, vorausgesetzt, es wird nur die Basenfunktion benötigt.
Werden
beispielsweise von sieben Aminosäuren
lediglich vier Aminosäuren
oder das Prinzip dieser Aminosäuren
im Sinne der Erfindung verwendet, so ergeben sich nach Permutation
insgesamt lediglich 35 verschiedene Kombinationen an Dublett-Rezeptoren.
Weiterer
Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine kombinatorische Bibliothek
umfassend eine Kollektion von Sorbentien mit jeweils mindestens
zwei un terschiedlichen Gruppen, die zur Bindung mindestens eines
Substrats mit mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen geeignet
sind, wobei die jeweils mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen
der Sorbentien und die des mindestens einen Substrats zueinander
komplementär
sind.
Diese
kombinatorische Bibliothek ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen der Sorbentien
und die mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen des mindestens
einen Substrats ausgewählt
sind unter Gruppen, die Bestandteile unterschiedlicher Aminosäuren, Zucker,
Nukleotide, Nukleoside, Pyrimidin- oder Purinbasen sind.
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die kombinatorische Bibliothek dadurch gekennzeichnet, dass
die Herstellung der Sorbentien die Stufen (i) und (ii) umfasst:
- (i) Ermittlung von mindestens zwei unterschiedlichen
Gruppen, die zur Bindung eines ersten synthetischen oder natürlichen
Substrats an ein Sorbens befähigt
sind,
- (ii) Aufbringen jeweils mindestens zweier unterschiedlicher
zur Bindung mit einem zweiten synthetischen oder natürlichen
Substrat befähigten Gruppen
auf jeweils einen Träger
unter Bildung mindestens eines Sorbens, wobei es sich bei den Gruppen
um Gruppen handelt, die zu denen der Stufe (i) gleich oder komplementär sind,
und das zweite Substrat der Stufe (ii) gleich oder verschieden vom
ersten Substrat gemäß Stufe
(i) ist.
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch ein Sorbens-Substrat-Komplex,
der bei der selektiven Abtrennung des Substrats erhalten wird. Dieser
Sorbens-Substrat-Komplex
umfasst mindestens ein Sorbens mit mindestens zwei unterschiedlichen zur
Bindung befähigten
Gruppen und mindestens ein Substrat mit mindestens zwei unterschiedlichen
zur Bindung befähigten
Gruppen, wobei die zur Bindung befähigten Gruppen des mindestens
einen Sorbens und die des mindestens einen Substrats zueinander komplementär sind.
Vorzugsweise
umfassen die mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen des mindestens
einen Sorbens und die mindestens zwei unterschiedlichen Gruppen
des mindestens einen Substrats unterschiedliche Gruppen, die Bestandteil
von Aminosäuren,
Zuckern, Nukleotiden, Nukleosiden, Pyrimidin- oder Purinbasen sind.
Im
Sorbens-Substrat-Komplex besteht die Bindung zwischen dem mindestens
einen Sorbens und Substrat in einer nicht-kovalenten, kovalent-reversiblen
oder kovalent-irreversiblen Bindung. Vorzugsweise ist die Bindung
nicht-kovalent reversibel.
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des neuen
verfahrens zur selektiven Bindung eines Substrats an Sorbentien durch
mindestens bivalente Bindung und die Verwendung der kombinatorischen
Bibliothek.
Eine
Verwendungsmöglichkeit
besteht in der Detektion von Rezeptor-Wirkstoff-Wechselwirkungen sowie dem Wirkstoff-Screening.
Vorzugsweise
werden für
die Detektion von Rezeptor-Wirkstoff-Wechselwirkungen sowie für das Wirkstoff-Screening
die oben aufgeführten
Wirkstoffe bzw. Wirkstoffklassen eingesetzt.
Auch
für die
Entwicklung neuer Wirkstoffkandidaten (Leadsubstanzen) kann die
Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Diese Leadsubstanzen können bezüglich ihrer
Wirkung, Selektivität,
Bioverfügbarkeit,
Pharmakokinetik und Toxizität
unter Verwendung des neuen Verfahrens bzw. der kombinatorischen
Bibliothek optimiert werden.
Dabei
ist es auch denkbar, dass Wirkstoffkandidaten nur mit einem Abschnitt
der biologischen Bindungsstelle in Wechselwirkung treten. Durch Kombination
und Verbindung von mindestens zwei solchen Wirkstoffkandidaten,
die an wenigstens zwei Abschnitten der biologischen Bindungsstelle
binden, kann man auf einfache Weise neue Wirkstoffe finden. Diese
Wirkstoffsuche funktioniert auch unter Verwendung einer hochparallelisierter
Verfahrensdurchführung.
Eine
weitere Anwendungsmöglichkeit
liegt in der Trennung stereoisomerer und strukturisomerer Verbindungen.
Ferner
ist die Reinigung und/oder Trennung von Substraten und Substratgemischen
möglich.
Vorzugsweise
erfolgt die Reinigung und/oder Trennung durch chromatographische
Methoden. Als weitere geeignete Methoden können Elektrophorese, Elektrofokusierung,
Flachgelelektrophorese, Parallelchromatographie, parallele Flashchromatographie und
Kapillartechniken genannt werden. Bei ausreichend hoher Selektivität kann ein
Substrat auch direkt aus dem gelösten
Gemisch durch Zugabe des Sorbens adsorbiert, ausgerührt und
in Form eines Sorbens-Substrat-Kompexes
abfiltriert werden.
Weitere
Anwendungsmöglichkeiten
bestehen in der Entfernung von Schadstoffen und Abbauprodukten aus
Stoffgemischen, wobei die Substanzen auch in sehr niedriger Konzentration
vorliegen können.
Vorzugsweise
können
Schadstoffe und Abbauprodukte aus Körperflüssigkeiten, wie Blut, abgetrennt
werden. Solche Schadstoffe und Abbauprodukte liegen beispielsweise
bei Vergiftungen, als Stoffwechselprodukte oder Metabolite vor.
Sie können
biogener Natur sein und im Körper
selbst gebildet, diesem aber auch von außen zugeführt worden sein, beispielsweise über die
Haut, über
die Mund schleimhäute
oder durch Injektion, beispielsweise in die Blutbahn. Zu Schadstoffen
und Abbauprodukten sind auch Schlangengifte und Rauschmittel zu
zählen.
Vorzugsweise
können
die neuen Sorbentien in Dialyseeinrichtungen eingesetzt werden.
Ferner
ist die Entfernung von Schadstoffen aus Lösungsmitteln, aus Prozesswässern und
aus Prozessen zur Lebensmittelherstellung möglich.
Mit
Hilfe der Erfindung können
auch pharmakokinetische Untersuchungen, insbesondere zur Metabolisierung
und Bioverfügbarkeit
durchgeführt
werden.
Das
neue Verfahren zur selektiven Bindung kann auch vorteilhaft zur
Abreicherung dynamisch kombinatorischer Bibliotheken verwendet werden. Hierbei
wird zweckmäßigerweise
so vorgegangen, dass aus einer Mischung, die neben einer Vielzahl von
Edukten auch gewünschtes
Substrat, vorzugsweise einen Wirkstoff, enthält, letzteres im Sinne der Erfindung
abgetrennt wird. Daraufhin wird sich in der Mischung das Gleichgewicht
unter Bildung weiteren Substrats neu einstellen. Der Vorgang der
Abtrennung wird dann so lange wiederholt, bis kein Substrat mehr
gebildet wird.