SE515295C2 - Förfarande för framställning av konjugat av en biologiskt aktiv polysackarid och ett fast substrat, samt sådana konjugat - Google Patents

Description

25 30 35 515 295 2 Ett mycket användbart förfarande för "end-point attachment" av polysackarider till aminerade ytor beskrivs i US-patentet 4,6l3,665.

Detta kända förfarande innebär i korthet att en poly- sackarid innehållande D-glukosamin- eller D-galaktosamin- enheter, t.ex. heparin, degraderas partiellt med natrium- nitrit i sur miljö. Härvid bildas 2,5-anhydro-D-mannos- enheter som reducerande terminala enheter. Denna reduce- rande terminala enhet uppbär en reaktiv aldehydfunktion, som ej är engagerad i någon halvacetalbildning, och alde- hydgruppen kan följaktligen i högt utbyte genom reduktiv aminering kopplas till substrat innehållande primära aminogrupper.

Detta kända förfarande är förknippat med vissa nack- delar, bland vilka kan nämnas följande.

Metoden kräver att polysackariden skall innehålla D- glukosamin- eller D-galaktosaminenheter med icke derivati- serande och därmed diazoterbara primära aminogrupper.

Vid aktiveringen degraderas molekylen, vilket för vissa applikationer medför förlorad eller väsentligt reducerad biologisk aktivitetet.

Förfarandet innebär därjämte att endast hälften av de vid degraderingen bildade molekylerna erhåller en kopp- lingsbar reducerande ände.

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning har till huvudändamål att åstadkomma ett nytt förfarande, varigenom den kända tekni- kens nackdelar elimineras eller i varje fall väsentligt reduceras. Ännu ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande, vid vilket den substans som är föremål för koppling till ett aminerat substrat icke degraderas eller nedbrytes i anslutning till kopplingsproceduren, varigenom substansens egenskaper bibehålles i huvudsak oförändrade efter det att koppling till substratet skett. :uu-- 10 15 20 25 30 35 515 3 Ännu ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande där samtliga molekyler göres till föremål för koppling, varigenom utbytet vid kopplingsreaktionen väsentligt förbättras jämfört med den kända tekniken.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är åstadkom- mande av ett förfarande, vilket innebär "end-point"- koppling till aminerade substrat.

För dessa och andra ändamål som kommer att framgå av följande framställning åstadkommes genom föreliggande uppfinning ett förfarande för att medelst kovalent kopp- ling framställa konjugat av en polysackarid utvald bland heparin, heparinderivat, åtminstone partiellt avacetyle- rat dermatansulfat och dextransulfat och ett fast sub- strat innehållande primära aminogrupper. Förfarandet en- ligt uppfinningen som sålunda är ett förfarande av hete- rogen karaktär, kännetecknas av följande steg: a)reduktion av sackariden så att dess terminala mono- sackaridenhet överföres till en alditol; b)perjodatoxidation av i steg a) bildad alditol till bildning av en terminal aldehydgrupp under spjälkning av monosackaridenheten mellan två vicinala grupper ut- valda bland hydroxyl- och aminogrupper; och c)reduktiv koppling av nämnda alditol via aldehydgruppen till det fasta substratets aminogrupp.

Reduktionen i steg a) ovan utföres lämpligen med ett reduktionsmedel utvalt bland borhydrider, katalytiska re- duktionsmedel och Raneynickel. Det är speciellt föredra- get att utföra reduktionen i steg a) med en borhydrid, speciellt natriumborhydrid eller kaliumborhydrid.

Beträffande oxidationen i steg b) ovan utföres den lämpligen med perjodsyra eller ett natrium- eller kalium- salt därav.

Den reduktiva kopplingen i steg c) ovan slutligen ut- föres lämpligen med en cyanoborhydrid, exempelvis natri- umcyanoborhydrid eller kaliumcyanoborhydrid. 10 15 20 25 En föredragen utföringsform av förfarandet enligt upp- finningen innebär sålunda att reduktionen i steg a) utfö- res med natriumborhydrid, oxidationen i steg b) utföres med natriumperjodat och den reduktiva kopplingen i steg c) utföres med natriumcyanoborhydrid.

Tekniken enligt föreliggande uppfinning är speciellt lämplig att användas i anslutning till polysackarider, vilka uppvisar biologisk aktivitet. Polysackariden är sä- lunda utvald bland heparin, heparinderivat, åtminstone partiellt avacetylerat dermatansulfat och dextransulfat.

Speciellt föredragna polysackarider är heparin och he- paransulfat.

Beträffande substratets karaktär kan som exempel pä substrat nämnas aminerade plastföremàl, exempelvis med ytbeläggningar av polyetylenimin eller kitosan. Föredra- gen ytbeläggning är kitosan, som i egenskap av avacetyle- rat kitin innehåller primära aminogrupper lämpade för den kopplingsteknik som avses vid föreliggande uppfinning.

Uppfinningen innefattar även konjugat framställa genom det ovan definierade förfarandet.

De vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning ak- tuella reaktionerna kommer nu att belysas för en bättre förståelse av reaktionsmekanismerna.

Den under steg b) ovan avsedda perjodatoxidationen in- nebär bildning av en cyklisk ester vilken sedan spjälkas och bl.a. ger upphov till tvà aldehydfunktioner enligt formeln I nedan.

(I) Spjälkning av vicinala dioler genom perjodatoxidation är i och för sig tidigare känd men har ej såvitt vi vet tidigare tillämpats i anslutning till sackaridimmobilise- ring i enlighet med föreliggande uppfinning. Vid reaktio- nen har steriska faktorer en avgörande inverkan pà den hastighet, med vilka olika vicinala dioler spjälkas av -n--f 10 15 30 35 l__u_~¿-'wc I ' Ãægeiï _ oa___ '°3son2c 515 295 perjodat.

Sàlunda klyvs vicinala OH-grupper i furanosider och pyranosider, vilka har cis-orientering, snabbare än sàdana som har trans-orientering. Vissa trans-dioler i rigida system är t o m resistenta mot perjodatoxidation. Acyk- liska dioler oxideras generellt snabbare än cykliska före- ningar, och sàdana med threo-konfiguration oxideras snab- bare än sådana med erythro-konfiguration.

Uppfinningen kommer, även om den ej är inskränkt här- till, att fortsättningsvis exemplifieras i anslutning till heparin. Formeln II nedan beskriver en representativ del av det inre av heparinmolekylen. Den vänstra D-glukosamin- enheten, vari R är acetyl, kan ej oxideras med perjodat.

Av de övriga enheterna är endast glucuronsyraenheten oxi- derbar, men innehåller dock svàroxiderade.dioler vilka är orienterade trans-di-ekvatoriellti iso; k / ...O CEZOSO NH If 2 R OH O / -(11) Den större delen av molekylerna i nativt heparin med en molvikt av mellan ca 7000 och ca 25000 innehåller ter- minalt följande sekvens: --4)-a-D-G1cpNR-(1--4)-ß-D-G1cA, vari R är acetyl eller -S03H. Ändgruppen kan reduceras till alditolen med formeln III nedan, varvid pH-värdet lämpligen hàlles så högt att syran ej laktoniseras. Vid försiktig perjodatoxidation oxideras företrädesvis threo-glykolgrupperingen och man 10 15 20 25 30 35 515-295 6 erhåller föreningen med formeln IV innehallande en terminal aldehydgrupp.

CHO- 1 QHZOH l 2 H-o-oH H-o-ow<::> soH-o-ow<::> H-o-OH - 4 H-Q-OH cooH 5 H-Q-oH UV) s coon = ( HI ) -=Po|ysackaríd kedja Reaktionen kan eventuellt gà vidare till bildning av en aldehydfunktion av C-atom 5.

De aktuella polysackariderna kopplas sedan till ett f8St substrat innehållande primära aminogrupper genom reduktiv aminering”i“enlighet med formeln V nedan.

R-N=ç'R* H2? ---+ R-NH-cH2-R* ER-NH2+. à ___, H + (V) Pà analogt sätt kan exempelvis kitosan immobiliseras genom "end-point"-koppling enligt formeln VI nedan.

CH2°H Å cH2oH i O ° \ 0 i o V ”/ Hoi /íšš:::::t:šw”OH 1 ,HNAo HO NH2 (VI) Här oxideras vicinalt orienterade amino- och hydro- xylgrupper av perjodat enligt nedanstående formel VII 10 15 20 25 30 35 515 295 7 1 - --> , /'~ --> 3 H_C..NH H"C"N H-Czo _ 1 2 l *ä 1 (VII) De vid förfarande enligt föreliggande uppfinning aktuella reaktioner är formelmässigt sammanfattade pá bilagda schema. Med P inom ring betecknas polymeren eller polysackariden medan endast strukturen hos den terminala enheten utskrivits. Med COOH i 6-position avses poly- sackarider med en terminal glukuronsyraenhet, medan med CHZOH i 6-position polysackarider med glykosaminenheter i terminal position avses.

Kopplingstekniken enligt föreliggande uppfinning ut- gör ett väsentligt bidrag till möjligheten att till amine- rade fasta substrat immobilisera polysackarider under bibehållande av sackaridens ursprungliga egenskaper, exem- pelvis biologisk aktivitet.

Uppfinningen kommer i det följande att illustreras närmare genom icke inskränkande exempel, vari delar och procenttal avser vikten om ej annat anges.

EXEMPEL 1 Reduktiv-oxidativ aktivering av nativt heparin Natriumborhydrid (225 mg) upplöses i destillerat vatten (150 mL). Natriumsaltet av nativt heparin (Pig mucosa, Kabi Vitrum, 3 g) tillsättes, och reaktions- blandningen får stà under omröring i 18 h. Efter dialys mot 10 L destillerat vatten under 18 h frystorkas det reducerade heparinet och utbytet är 2,9 g.

Det reducerade heparinet (2,9 g) upplöses i 250 mL imidazolbuffert, 40 mM, pH 6,5. Natriumperjodat (640 mg) upplöses även i 250 mL imidazolbuffert 40 mM, pH 6,5. De bàda lösningarna sammanblandas och får stå i en kolv in- svept i folie vid 0°C pà isbad under omröring i 5 min. ov»1» 10 15 20 25 30 35 515 295 i; 8 Därefter tillsättes 1 mL glycerol i syfte att förstöra överskottet perjodat, och lösningen får stà under omröring i l h. Reaktionsblandningen dialyseras därefter mot 10 L destillerat vatten under 18 h och heparinet frystorkas slutligen. Utbytet av aktiverat heparin (RO-heparin) är 2,4 g.

EXEMPEL 2 Nedbrytning av heparin med salpetersyrlighet Heparin (Pig mucosa, Kabi Vitrum) upplöses i vatten (300 mL). Lösningen nedkyles till och hàlles vid O°C i is- vatten. Därefter tillsättes först natriumnitrit (NaN02, 10 mg) och sedan ättiksyra (2 mL) till lösningen under omrö- ring. Reaktionsblandningen hålls vid O°C i 2 h, dialyseras och frystorkas. Utbytet av degraderat heparin är 0,7 g.

EXEMPEL 3 Perjodatoxidation av nativt heparin I ett typiskt exempel där ca 10% av monosackariden- heterna i heparinet avses oxideras, upplöses nativt hepa- rin (Pig mucosa, Kabi Vitrum, 5 g) i vatten (100 mL), och natriumperjodat (0,5 g) tillsättes. Lösningen förvaras i mörker vid rumstemperatur under 24 h. Reaktionsblandningen dialyseras sedan mot destillerat vatten och frystorkas till bildning av 4,2 g heparinderivat innehållande dialde- hydfunktioner.

EXEMPEL 4 Aminering av polyetenyta med polyetylenimin (PEI) En polyetenyta (polyetenfilm) behandlas i 2 min vid rumstemperatur med en 2% (vikt/vol) lösning av kaliumper- manganat i koncentrerad svavelsyra och sköljes sedan nog- grant med destillerat vatten. Polymerytan behandlas vid rumstemperatur med polytetylenimin SN (PEI, 0,05% i borat- buffert, pH 9,0) tillsammans med krotonaldehyd (0,034% i boratbuffert, pH 9,0). nwøn 10 15 20 25 30 35 515 295 §_Jj;§f, 9 Polymerytan sköljes noggrant med stora volymer des- tillerat vatten och behandlas med en lösning av dextran- sulfat (Pharmacia) 0,1 g/L i 0,15 M NaCl, pH 3,0, i 10 min vid 55°C. Polymerytan sköljes återigen noggrant med stora volymer destillerat vatten och behandlas ytterligare en gång vid rumstemperatur med polyetylenimin SN (PEI, 0,05% i boratbuffert, pH 9,0) tillsammans med krotonaldehyd (0,034% i boratbuffert, pH 9,0). Därefter upprepas behand- lingen med dextransulfat enligt ovan och ytan sköljes noggrant med detillerat vatten och behandlas med en lösning av 0,05% PEI vid pH 9,0 (justerat med 1 M Na0H) under 10 min vid rumstemperatur och tvättas därefter ånyo.

Närvaron av aminogrupper verifieras med en indikator (poinceau S, Sigma).

EXEMPEL 5 Aminering av polyetenyta med kitosan En polyetenyta behandlas på samma sätt som i Exempel 4 med den skillnaden att en lösning av kitosan med en N- acetyleringsgrad av 15% (0,25% vikt/vol) i vatten användes i stället för PEI och att ytan efter behandling med denna lösning sköljes med etanol (80% vol/vol) i stället för vatten. Närvaron av aminogrupper verifieras pà samma sätt som i Exempel 4.

EXEMPEL 6 Koppling av RO-heparin till polyetenslangar Polyetenslangar (1 m, 1,8 mm innerdiameter) amineras pà sätt som beskrives i Exempel 4. Slangarna behandlas sedan i 2 h vid 50°C med RO-heparin framställt i enlighet med Exempel 1 (500 mL, 0,025% vikt/vol) och natriumcyano- borhydrid (0,003% vikt/vol i 0,15 M NaCl, pH 3,9) och sköljes med destillerat vatten och slutligen med borat- buffert, pH 9,0. Närvaron av heparin pà polyetenslangarna visualiseras med en indikator, toluidinblàtt, som ger en lila färg i närvaro av sulfaterade polysackarider. 10 15 20 25 30 35 515 295 10 EXEMPEL 7 Koppling av nitritdegraderat heparin till polyetenslangar Ifràgavarande koppling utföres i enlighet med Exempel 6 ovan med den modifieringen, att nitritdegraderat heparin framställt i enlighet med Exempel 2 används vid koppling- en. Beträffande detaljer avseende denna kopplingsteknik hänvisas till US-patentet 4,613,665.

EXEMPEL 8 Koppling av perjodatoxiderat heparin till polyetenslangar Denna koppling utföres i enlighet med Exempel 6 ovan men med den modifieringen att perjodatoxiderat heparin framställt i enlighet med Exempel 3 användes vid kopp- lingsproceduren.

EXEMPEL 9 Jämförande studier av AT-upptag Heparinytans förmåga att binda antitrombin (AT) àter- speglar densiteten av heparinmolekyler med opåverkade AT- bindningssekvenser och utgör ett mätt pà ytans non-trombo- gena karaktär. Ju större förmågan är att binda antitrombin desto bättre är ytan med hänsyn till bibehållande av hepa- rinets biologiska aktivitet.

TABELL kontroll* Ex 6 Ex 7 Ex 8 AT 0,02 2,8 2,6 0,9 pmol/cm' * noll-prov med obehandlad slang. 10 15 20 25 5:15 295 ll EXEMPEL 10 Koppling av reduktivt-oxidativt aktiverat dextransulfat till polyetenfilm Natriumborhydrid (225 mg) upplöses i destillerat vatten (150 mL). Natriumsaltet av dextransulfat (4 g, Pharmacia) tillsättes, och reaktionsblandningen får stà under omröring i 18 h. Efter dialys mot 10 L destillerat vatten under 18 h frystorkas det reducerade dextransul- fatet (heparinoiden) och utbytet är 3,5 g. Det reducerade dextransulfatet (3,0 g) upplöses i 250 mL imidazolbuffert, 40 mM, pH 6,5. Natriumperjodat (640 mg) upplöses likaså i 250 mL imidazolbuffert, 40 mM, pH 6,5. De båda lösningarna sammanblandas och får stå i en kolv insvept i folie vid O°C pà isbad under omröring i 5 min. Därefter tillsättes 1 mL glycerol i syfte att förstöra överskottet perjodat, och lösningen får stà under omröring i l h.

Reaktionsblandningen dialyseras sedan mot 10 L des- tillerat vatten under 18 h och produkten frystorkas slut- ligen. Utbyte av RO-heparinoid är 2,5 g.

RO-heparinoiden kopplas till en aminerad polyetenfilm framställd i enlighet med Exempel 4, och kopplingen utfö- res pà samma sätt som beskrives i Exempel 6. Närvaron av dextransulfat pà polyetenfilmen visualiseras med en indi- kator, toluidinblàtt, som ger en lila färg i närvaro av sulfaterad polysackarid. Kopplingsutbytet är ca 5 mg/om* (bestämt med FTIR).

Uppfinningen är ej inskränkt till ovan angivna utföringsformer och aktuella exempel då förfarandet är tillämpbart pá kovalent koppling av alla typer av oligo- och polysackarider uppvisande en terminal reducerande monosackaridenhet till varje form av substrat innehållande primära aminogrupper.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 515 295 12 PATENTKRAV

1. Förfarande för att medelst kovalent koppling framställa konjugat av en polysackarid med terminal redu- cerande monosackaridenhet utvald bland heparin och hepa- rinderivat, åtminstone partiellt avacetylerad dermatan- sulfat och dextransulfat och ett fast substrat inne- hållande primär aminogrupp, k ä n n e t e c k n a t av följande steg: a)reduktion av sackariden så att den terminala mono- sackaridenheten överförs till en alditol; b)perjodatoxidation av i steg a) bildad alditol till bildning av en terminal aldehydgrupp under spjâlk- ning av monosackaridenheten mellan två vicinala grupper utvalda bland hydroxyl- och aminogrupper; och c)reduktiv koppling av nämnda alditol via aldehydgrup- pen till substratets aminogrupp.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e - t e c k n a t därav, att reduktionen i steg a) utföres med ett reduktionsmedel utvalt bland borhydrater, kataly- tiska reduktionsmedel och Raneynickel.

3. Förfarande enligt patentkravet 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att reduktionen i steg a) utföres med en borhydrid, exempelvis natrium- eller kaliumborhyd- rid.

4. Förfarande enligt något av de föregående patentkra- ven, k ä n n e t e c k n a t därav, att oxidationen i steg b) utföres med perjodsyra eller ett natrium- eller kaliumsalt därav.

5. Förfarande enligt något av de föregående patentkra- ven, k ä n n e t e c k n a t därav, att den reduktiva kopplingen i steg c) utföres med en cyanoborhydrid.

6. Förfarande enligt patentkravet l, k ä n n e - t e c k n a t därav, att reduktionen i steg a) utföres med natriumborhydrid; 10 15 545 295 fïïlëë 13 att oxidationen i steg b) utföres med natriumperjodat; och att den reduktiva kopplingen i steg c) utföres med na- triumcyanoborhydrid.

7. Förfarande enligt något av de föregående patentkra- ven, k ä n n e t e c k n a t därav, att sackariden är en polysackarid som är biologiskt aktiv.

8. Förfarande enligt patentkravet 7, k ä n n e - t e c k n a t därav, att polysackariden är heparin eller heparansulfat.

9. Förfarande enligt något av de föregående patentkra- ven, k ä n n e t e c k n a t därav, att substratet är utvalt bland på ytan aminerade plastföremàl.

10. Förfarande enligt något av patentkraven 1 till 9, k ä n n e t e c k n a t därav, att substratet är försett med en beläggning av polyetylenimin eller kitosan.

11. ll. Konjugat framställt genom förfarandet enligt något av de föregående patentkraven.