WO2011018496A2 - Method for modifying and functionalizing saccharides - Google Patents

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Mikhail Tsurkan
Uwe Freudenberg
Carsten Werner
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Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V.
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    • C08B37/0063Glycosaminoglycans or mucopolysaccharides, e.g. keratan sulfate; Derivatives thereof, e.g. fucoidan
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    • C08B37/0081Reaction with amino acids, peptides, or proteins

Definitions

  • the invention relates to a process for the modification and functionalization of saccharides.
  • modifications to saccharides are made to attach chromophoric markers to the saccharides for use of various analytical methods, both in in vivo and in v / fro techniques.
  • fluorescence marker molecules for microscopy can be bound to the saccharides in this way.
  • the labeling of functional OH groups of the saccharides is often carried out in organic solvents due to the low reactivity of the OH group in aqueous solutions.
  • these general labeling techniques are used in organic solvents under "non-natural" conditions, accompanied by possible irreversible structural changes of the polysaccharide target due to the harsh conditions.
  • many naturally occurring polysaccharides, such as glycosaminoglycans are poorly soluble in organic solvents and could not be modified under such conditions.
  • the final step is reduction with sodium cyanoborohydride or a similar reducing agent.
  • This process has been studied in detail in the labeling of glycosaminoglycans with 2-aminopyridine [J. Biochem. 95 (1984), 197-203; J. Biochem 110 (1991) 132-135].
  • the main disadvantages are low yields of polysaccharides with higher molecular weights and in the complexity of this method, which precludes its broad application.
  • An alternative method is to react the free amines of the polysaccharides by selectively binding the target molecules to the amine groups via hydroxysuccinimide (NHS) ester, which is disclosed in Bioorganic & Medicinal Chemistry 14 (2006) 2300-2313. This highly selective technique is subject to extensive limitations.
  • this technique can only be applied to polysaccharides containing free amino groups.
  • Another essential limitation is that the molecules that are to be chemically bound to a polysaccharide need an NHS ester group or a functional group that can be converted into an NHS ester, which in turn, in turn, the possible functional residues of the to be stored molecules in that no amino groups or similar nucleophilic groups should be present, which would be able to react even with the NHS ester.
  • the choice of molecules applicable to the chemical modification of polysaccharides (according to the previously described method) as well as the biological or physical versatility of the final products is significantly limited. More specifically, this technique is limited primarily to fluorescein, coumarin, dansyl and biotin, which do not contain free amino groups.
  • hydroxysuccinimide or hydroxysulfosuccinimide (sulfo-NHS) is used as a catalyst to increase the yield in this reaction by forming a more stable intermediate, the NHS or s-NHS ester of the carboxyl groups.
  • the average yield in the methods described so far is in the range of 30 to 50%, which is unprofitable for the use of expensive markers such as Alexa TM Flour.
  • this method is due to the structure of the markers and functional molecules used only limited. For example, no carboxyl functions should be present to prevent intermolecular crosslinking.
  • the object underlying the invention is to provide a method for carrying out modifications to saccharides having a multiplicity of markers or functional molecules which can be carried out inexpensively and in high yields even under aqueous conditions.
  • Such a method should be capable of covalently attaching a variety of physically or biologically active molecules to the saccharide units for use in tissue engineering and drug development.
  • the process should include the use of a variety of mutable molecules for modern in vitro and in vivo
  • this covalent modification of the saccharides in aqueous solutions is carried out in a two-step mechanism to avoid unwanted side reactions.
  • N HS esters of the free carboxyl groups are formed on the saccharide.
  • the conversion then takes place by the reaction of the NHS-activated saccharide carboxyl groups with primary amino groups of a marker molecule or of another functional molecule.
  • the proposed method can be used to functionalize a variety of saccharides by forming an amide linkage with a variety of other molecules (eg, signal molecules and markers).
  • the peculiarity of this method is that almost all molecules which are soluble in aqueous solutions and contain a free amino group can be covalently attached to saccharides. For example, almost all proteins fulfill this requirement.
  • the possibility of covalent attachment in aqueous solution reduces interfering side reactions caused by other functional groups within the marker molecule or the functional molecule, respectively.
  • This method allows the To control the reaction between a saccharide and a marker or similar functional molecule for the formation of a covalently-labeled product in the form that yields greater than 90% are achieved.
  • the labeling or modification is achieved by the covalent attachment of a primary amino group of a marker or a functional molecule to an NHS-activated carboxyl group of the saccharides.
  • the reaction takes place in aqueous solutions, which allows the functionalization of very hydrophilic saccharides, such as glycosaminoglycans.
  • saccharides or polysaccharides in the process according to the invention thus polyglucosaminoglycans, in particular heparin or hyaluronic acid, can be modified and functionalized.
  • activating reagents which are used in the activation step of the activation of carboxyl groups in the primary activation step, in particular compounds from the class of carbodiimides are provided, preferably 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), but also similar compounds, such as For example, dicyclohexylcarbodiimide (DCC) or diisopropylcarbodiimide (DIC) can be used.
  • EDC 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
  • DCC dicyclohexylcarbodiimide
  • DIC diisopropylcarbodiimide
  • compounds from the class of triazoles are also possible as activating reagents for the primary reaction of the activation step a).
  • N-hydroxysulfosuccinimide (s-NHS) is used as the N-hydroxysuccinimide derivative for the activation of the carboxyl groups.
  • EDC 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
  • s-NHS N-hydroxysulfosuccinimide
  • the carboxyl groups of the respective saccharide or polysaccharide are converted into highly reactive sulfo-NHS esters which are suitable for the subsequent stoichiometric reaction of approximately 1: 1 with primary amino groups which belong to the respective functional molecule or chromophoric marker.
  • the peculiarity of the method according to the invention is that the special connection of a chromophoric marker, for example a marker with a strong fluorescence, of a multiplicity of optically active molecules, also in the presence of carboxyl groups, is to be bound within the zone
  • the process allows for precise control of the stoichiometry between the saccharides and the labels, which is very important to precisely adjust the properties of the conjugate formed.
  • Fig. 1a a UV-Vis spectrum of azure A
  • Fig. 1b a UV-Vis spectrum of heparin
  • Fig. 1c superimposed normalized UV-Vis spectra of heparin and heparin azure A;
  • Fig. 2a a high pressure size exclusion chromatogram (HPSEC) of
  • FIG. 2b a high pressure size exclusion chromatogram (HPSEC) of heparin azure A product using a 8 ⁇ m column PL-Aq uagel-OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7;
  • FIG. 3a an HPSEC chromatogram of heparin using an 8 ⁇ m column of PL-Aquagel-OH mixture and 10 mM phosphate buffer of pH 7;
  • FIG. 3b an HPSEC chromatogram of a Heparin-Alexa TM Flour 488.
  • FIG. 3 c an HPSEC chromatogram of purified heparin Alexa TM Flour 488 product using an 8 ⁇ m column PL-Aquagel
  • FIG. 4a an HPSEC chromatogram of Alexa TM Flour 488 at
  • Fig. 4b a UV-Vis spectrum of Alexa TM Flour 488 in pH 7 phosphate buffer
  • Fig. 4c a UV-Vis spectrum of heparin Alexa TM Flour 488 in
  • Fig. 5a Emission spectra of Alexa TM Flour 488, excitation at 488 nm in phosphate buffer of pH 7;
  • Fig. 5b Emission spectra of Heparin-Alexa TM Flour 488, excitation at 488 nm in phosphate buffer of pH 7;
  • 6a HPSEC chromatogram of hyaluronic acid using an 8 ⁇ m column of PL-Aquagel-OH mixture and 10 mM phosphate buffer of pH 7;
  • Fig. 6b HPSEC chromatogram of Alexa TM Flour 488 using an 8 ⁇ m column of PL-Aquagel-OH mixture and 10 mM phosphate buffer of pH 7;
  • FIG. 6 c HPSEC chromatogram of Alexa TM -Flour-488-hyaluronic acid product using an 8 ⁇ m column PL-Aquagel-OH
  • Fig. 7a HPSEC chromatogram of low hyaluronic acid
  • Fig. 7b HPSEC chromatogram of Alexa TM hyaluronic acid product at
  • Fig. 8a HPSEC chromatogram of heparin using a
  • Fig. 10a a UV-Vis spectrum of unmodified heparin
  • Fig. 10b a UV-Vis spectrum of heparin c-RGD product
  • Fig. 10c a UV-Vis spectrum of c-RGD peptide.
  • Embodiment I relates to the labeling of heparin with Azur A.
  • Heparin is often used as a drug. More recently, heparin has also been used as an active component of some bio-hybrid materials that have great potential in both tissue engineering applications and as a drug delivery medium Heparin is a natural polyglucosaminoglycan molecule has a very high negative charge density due to the high degree of sulfation This characteristic of heparin is crucial for its biological activity, therefore the application of the reductive amination to labeling is disadvantageous because of a possible desulfation of its amino groups.
  • Heparin varies in its molecular weight.
  • a commercially available heparin has an average molecular weight of about 14 kDa and about 28 carboxyl groups per molecule which react with dyes containing a primary amino group. Azur A has been shown to react with heparin through the formation of amide bonds.
  • Heparin shows no absorption pattern in the UV-Vis spectrum and therefore also in accordance with FIG. 1b no absorption at 600 nm, whereas the azure-A molecule according to FIG. 1a shows a characteristic absorption at 290 nm and at 600 nm.
  • the UV-Vis spectra of the purified heparin-azure-A conjugate show the characteristic absorbances at 290 nm and 600 nm as shown in Fig. 1c.
  • the difference between the UV-Vis spectra of the heparin-azure-A conjugate and heparin can be clearly seen:
  • HPSEEC high performance size exclusion chromatography
  • Exemplary embodiment II relates, by way of example, to the use of the method of the invention for the labeling of heparin with unmodified Alexa TM flour 488 dye using a two-step procedure based on carbodiimide chemistry.
  • Alexa TM is a US molecular probe brand.
  • the aliphatic amino group in the structure of the dye is used for the covalent attachment of this dye to a carboxyl group of the heparin by forming an amide bond, the yield being more than 90%.
  • the Heparin-Alexa TM 488 product was purified by dialysis against 800 ml of 1 M sodium chloride solution to unreacted Alexa TM Flour 488 quantitatively, using a membrane with a mean molecular weight exclusion size of 1000 Da. This was followed by three dialysis sessions against 800 ml of water. Thereafter, the product was freeze-dried and 5.35 mg of amorphous orange residue was collected, which corresponds to a yield of 95%.
  • Figure 3c and its absence with pure heparin, as shown in Figure 3a, allows easy monitoring of the reaction by high pressure size exclusion chromatography (HPSEC).
  • HPSEC high pressure size exclusion chromatography
  • the elution time of heparin is 17 minutes, which can be seen by monitoring the absorption at 230 nm in the HPSE chromatogram in Fig. 3a.
  • the reaction mixture provides, as shown in Figure 3b, several peaks in the HPSE chromatogram at 17, 19 and 20 minutes corresponding to heparin (peak at 17 minutes), unreacted Alexa TM flour (peak at 19 minutes) and low molecular weight by-product of EDC and NHS (peak at 20 minutes).
  • the HPSE chromatogram of the purified product should show only one peak at 17 minutes, which is characteristic of heparin when monitoring absorbance at 230 nm.
  • the product of Figure 3c also has a strong 488 nm absorption, which indicates the presence of Alexa TM Flour 488 in the structure of the product.
  • Alexa TM Flour 488 has a strong absorption at 488 nm, which is visible in UV-Vis spectra and, as shown in FIG.
  • Heparin Alexa TM Flour 488 product almost identical UV Vis spectra as Alexa TM Flour 488, which can be seen by comparing Figures 4b and 4c.
  • the reaction product provides, as shown in Figure 5b, a strong emission at 530 nm due to the emission of the Alexa TM dye unaltered in its functionality during the conjugation reaction.
  • Embodiment III relates to the labeling of hyaluronic acid by Alexa TM Flour 488.
  • Hyaluronic acid also known as hyaluronan, is a non-sulfated glycosaminoglycan that is widely used as a drug and in cosmetics. Like most polysaccharides, hyaluronic acid does not have a characteristic absorption pattern in the UV-Vis spectrum, therefore labeling with fluorescent dyes is necessary to be detectable by this method.
  • Each disaccharide residue of hyaluronic acid contains a carboxylic acid group which can be modified with dyes each having a primary amino group.
  • Alexa TM Flour 488 reacts with hyaluronic acid (17 kDa) to form an amide bond.
  • the total volume of the reaction mixture was 50 ul.
  • the reaction was continued overnight at room temperature.
  • the Alexa TM Flour 488-hyaluronic acid product was purified by dialysis against 800 ml of 1 M sodium chloride solution using a membrane with an average molecular mass exclusion size of 1,000 Da to quantitatively remove unreacted Alexa TM Flour 488; This was followed by a three-time dialysis against 800 ml of water. Thereafter, the product was freeze-dried. There was obtained 3.0 mg of an amorphous orange residue, which corresponds to a yield of 95.6%.
  • Alexa TM hyaluronic acid product at 488 nm allows easy monitoring of the reaction by high pressure size exclusion chromatography (HPSEC).
  • HPSEC high pressure size exclusion chromatography
  • the unreacted hyaluronic acid gives two peaks in the HPSE chromatogram, with the majority of each peak eluting at 18 minutes.
  • the small proportion in the HPSE chromatogram of the hyaluronic acid according to FIG. 6a can be attributed to low molecular weight saccharides.
  • Alexa TM Flour 488 elutes at 19 minutes as shown in Figure 6b by both absorbance at 210 nm and absorbance at 488 nm.
  • the purified conjugate of hyaluronic acid with Alexa TM Flour 488 shows several peaks in elution, with the majority of peaks occurring at 18 minutes, which is similar to the behavior of unreacted hyaluronic acid.
  • all of the components in the product's HPSE chromatogram also show strong absorption at 488 nm, clearly indicating the presence of Alexa TM Flour 488 within the structure of the product.
  • Hyaluronic acid with Alexa TM Flour 488 shows the labeling of low molecular weight hyaluronic acid (4.7 kDa), only a few Contains disaccharide residues.
  • Alexa TM Flour 488 shows the formation of an amide with the carboxyl group of hyaluronic acid using standard carbodiimide chemistry. The procedure was carried out as follows: Similarly as in Embodiment III, 0.14 mg EDC [2.0-fold excess] and 0.086 mg NHS [the equimolar amount] of a solution of 0.84 mg hyaluronic acid, which was 3.85 * 10 "4 mmol at a molecular weight of 4,700 Da correspond added in borate buffer pH 8.
  • the reaction mixture was maintained at 5 0 C for 15 minutes. Thereafter, 0.25 mg Alexa Flour TM 488, the 3.9 * 10 4 mmol The total volume of the reaction mixture was 50 ⁇ l and the reaction was continued overnight at room temperature
  • the Alexa TM flour 488-hyaluronic acid product was dialyzed using a membrane of average molecular weight exclusion size of 1000 Da purified to 800 ml of 1 M sodium chloride solution to quantitatively remove unreacted Alexa TM Flour 488. Three times dialysis to 800 ml of water was then carried out, Next, the product was freeze-dried 0.8 mg of amorphous orange residue, corresponding to a yield of 84.4%.
  • the unreacted low molecular weight hyaluronic acid in the HPSEC elutes in the form of two peaks, with the first peak of Fig. 7a being very broad and having a maximum at 16 minutes.
  • the purified conjugate of low molecular weight hyaluronic acid with Alexa TM Flour 488 shows, according to FIG. 7b, a very similar pattern of peaks in the HPSE chromatogram which, in contrast to the starting component, also give a very strong absorption at 488 nm. This clearly indicates the presence of Alexa TM Flour 488 within the structure of the product.
  • Embodiment V :
  • Embodiment V relates to the functionalization of heparin by a cRGD peptide.
  • the modification of saccharides with biologically active molecules, such as the cell-adhesive peptide sequences, are of great scientific and technological interest.
  • the following embodiment describes the modification of the polysaccharide heparin with the integrin-binding cyclic RGD peptide, which is generally known as a frequently used cell-adhesive ligand in biomaterials research.
  • the peptide sequence is KYRGD in cyclic form (cRGD).
  • the side-chain amino group of lysine is utilized for the covalent coupling of cRGD to heparin carboxyl groups to form an amide bond, respectively.
  • the tyrosine amino acid residue within the cRGD structure has a characteristic absorption at 274 nm with an extension coefficient of 1405.
  • This absorption of the cRGD heparin product at 274 nm allows monitoring of the reaction by high pressure size exclusion chromatography (HPSEC).
  • HPSE chromatogram of heparin as shown in Figure 8a, has only one peak at 17 minutes which has no substantial absorption at 274 nm.
  • the cRGD elutes at 21 minutes under similar conditions, as shown in Figure 8b, but gives a relatively strong absorption at 274 nm.
  • reaction mixtures as shown in Figure 9a, provide three main peaks in the HPSE chromatogram at 17, 19 and 21 minutes, respectively each can be assigned to heparin (17 minutes), a low molecular weight by-product of EDC and NHS (19 minutes) and unreacted cRGD peptide (21 minutes).
  • both reaction mixtures showed only one major peak in the HPSE chromatogram according to FIG. 9b with the elution time of 17 minutes, which corresponds to the chromatogram of similar to unreacted heparin.
  • FIG. 10a shows a UV-Vis spectrum of unmodified heparin
  • FIG. 10a shows a UV-Vis spectrum of unmodified heparin
  • FIG. 10b a UV-Vis spectrum of the heparin c-RGD product
  • FIG. 10c a UV-Vis spectrum of c-RGD peptide.
  • the content of cRGD peptide within the cRGD modified heparin (heparin cRGD) is determined by comparing the absorbance of equal molarity solutions of unmodified heparin in Fig. 10a on the one hand and the cRGD heparin product of Fig. 10b on the other hand at 274 nm ,
  • the amount of cRGD peptide in the heparin cRGD product (conjugate) is determined using the extinction coefficient of 1405 at 274 nm of tyrosine.
  • the content of the cRGD peptide within the cRGD heparin product is determined.
  • RGD stands for the amino acid sequence arginine, glycine

Abstract

The invention relates to a method for modifying and functionalizing saccharides, comprising the process steps: a) activating the carboxyl groups of the saccharides by a primarily reacting each of the carboxyl groups with a carbodiimide or a triazole as an activating reagent, and subsequently reacting with N-hydroxysuccinimide (NHS) or one of the derivatives thereof, b) reacting the activating carboxyl groups with primary amino groups of amine-functionalized, optically or biologically active molecules, forming an amide bond.

Description

Verfahren zur Modifikation und Funktionaiisierung von  Method for modifying and functionalizing
Sacchariden  saccharides
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifikation und Funktionaiisierung von Sacchariden. The invention relates to a process for the modification and functionalization of saccharides.
Modifikationen an Sacchariden werden insbesondere durchgeführt, um für die Verwendung von verschiedenen Analysemethoden, sowohl bei in vivo- als auch bei in v/fro-Techniken, chromophore Marker an den Sacchariden anzubringen. Insbesondere können auf diese Weise Fluoreszenzmarker- Moleküle für die Mikroskopie an die Saccharide angebunden werden. Die Markierung von funktionellen OH-Gruppen der Saccharide wird aufgrund der geringen Reaktivität der OH-Gruppe in wässrigen Lösungen häufig in organischen Lösungsmitteln durchgeführt. Somit werden diese allgemeinen Markierungstechniken in organischen Lösungsmitteln unter "nicht-natürlichen" Bedingungen angewandt, begleitet von möglichen irreversiblen strukturellen Veränderungen des Polysaccharid-Zielmoleküls aufgrund der harten Bedingungen. Außerdem sind viele natürlich vorkommende Polysaccharide, wie zum Beispiel Glykosaminoglykane, in organischen Lösungsmitteln schlecht löslich und konnten unter solchen Bedingungen nicht modifiziert werden. In particular, modifications to saccharides are made to attach chromophoric markers to the saccharides for use of various analytical methods, both in in vivo and in v / fro techniques. In particular, fluorescence marker molecules for microscopy can be bound to the saccharides in this way. The labeling of functional OH groups of the saccharides is often carried out in organic solvents due to the low reactivity of the OH group in aqueous solutions. Thus, these general labeling techniques are used in organic solvents under "non-natural" conditions, accompanied by possible irreversible structural changes of the polysaccharide target due to the harsh conditions. In addition, many naturally occurring polysaccharides, such as glycosaminoglycans, are poorly soluble in organic solvents and could not be modified under such conditions.
Es gibt mehrere Veröffentlichungen über die Markierung von Glykosaminoglykanen und anderen Polysacchariden in wässrigen Lösungen. Bei diesen Ansätzen werden in der Regel drei verschiedene Techniken, wie die reduktive Aminierung, die Umsetzung freier Amine mit NHS-Estem und die Reaktion von Carbodiimiden mit freien Carboxylgruppen, angewendet. Der derzeitige wissenschaftliche Stand in der Entwicklung und Anwendung dieser Techniken ist sehr gut in Bioorganic & Medicinal Chemistry 14 (2006) 2300- 2313 und Carbohydrate Research 341 (2006) 1253-1265 beschrieben. Die reduktive Aminierung als Markierungstechnik wird in der Regel für das Produkt der Spaltung von Glykosaminoglykanen mit salpetriger Säure angewendet. Es folgt die Reaktion mit einem Marker, der ein primäres Amin innerhalb seiner Struktur enthält. Der letzte Schritt ist die Reduktion mit Natriumcyanoborhydrid oder einem ähnlichen Reduktionsmittel. Dieser Prozess wurde im Detail bei der Markierung von Glykosaminoglykanen mit 2-Aminopyridin untersucht [J. Biochem. 95 (1984), 197-203; J. Biochem 110 (1991) 132-135]. Die wesentlichen Nachteile bestehen in niedrigen Ausbeuten bei Polysacchariden mit höheren Molekulargewichten und in der Aufwendigkeit dieses Verfahrens, was seiner breiten Anwendung entgegensteht. Ein alternatives Verfahren besteht in der Umsetzung der freien Amine der Polysaccharide durch selektive Bindung der Zielmoleküle an die Amin-Gruppen über Hydroxysuccinimid (NHS)-Ester, was in der Bioorganic & Medicinal Chemistry 14 (2006) 2300- 2313 offenbart ist. Diese hochselektive Technik unterliegt umfangreichen Beschränkungen. Insbesondere kann diese Technik nur auf Polysaccharide, die freie Amino-Gruppen enthalten, angewendet werden. Eine weitere wesentliche Einschränkung besteht darin, dass die Moleküle, die chemisch an ein Polysaccharid gebunden werden sollen, eine NHS-Estergruppe oder eine funktionelle Gruppe brauchen, die in einen N HS-Ester überführt werden kann, was im Umkehrschluss wiederum die möglichen funktionellen Reste der anzulagernden Moleküle dahingehend beschränkt, dass keinerlei Amino- Gruppen oder ähnliche nukleophile Gruppen vorhanden sein dürfen, die in der Lage wären, selbst mit dem NHS-Ester zu reagieren. Somit wird die Auswahl der für die chemische Modifizierung von Polysacchariden (nach der zuvor beschriebenen Methode) anwendbaren Moleküle und auch die biologische oder physikalische Vielseitigkeit der Endprodukte erheblich eingeschränkt. Genauer gesagt ist diese Technik vor allem auf Fluorescein, Cumarin, Dansyl und Biotin, die keine freien Amino-Gruppen enthalten, beschränkt. Auf die Markierung von Polysacchariden durch die Familie der üblichen chromophoren Markierungen, wie Alexa™ Flour, HiLyte™ Flour, DyLight™ Flour und andere, kann diese Chemie nicht angewendet werden. Die Anwendung der Carbodiimid-Chemie für die Bildung einer kovalenten Bindung zwischen den freien Carboxylgruppen des Ziel-Moleküls und einer beliebigen Amino-Gruppe eines Markers ist eine weitere Methode zur Funktionalisierung von Polysacchariden. Das Standardverfahren umfasst die Verwendung von Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)-carbodiimid (EDC) oder ähnlichen Aktivierungsreagenzien für die Modifikation eines Polysaccharids im Gemisch mit einem Marker in einem Ein-Schritt-Mechanismus. Hydroxysuccinimid (NHS) oder Hydroxysulfosuccinimid (Sulfo-NHS) wird als Katalysator für die Erhöhung der Ausbeute bei dieser Reaktion durch Bildung einer stabileren Zwischenstufe, dem NHS oder s-NHS Ester der Carboxylgruppen, verwendet. Allerdings ist die durchschnittliche Ausbeute in den bis jetzt beschriebenen Verfahren im Bereich zwischen 30 bis 50 %, was für den Einsatz kostenintensiver Marker wie Alexa™ Flour unrentabel ist. Weiterhin ist dieses Verfahren aufgrund der Struktur der verwendeten Marker und funktionellen Moleküle auch nur eingeschränkt anwendbar. Es dürfen beispielsweise keine Carboxylfunktionen vorhanden sein, damit eine intermolekulare Vernetzung verhindert wird. There are several publications on the labeling of glycosaminoglycans and other polysaccharides in aqueous solutions. These approaches typically employ three different techniques, such as reductive amination, the reaction of free amines with NHS esters, and the reaction of carbodiimides with free carboxyl groups. The current state of scientific knowledge in the development and application of these techniques is well described in Bioorganic & Medicinal Chemistry 14 (2006) 2300- 2313 and Carbohydrate Research 341 (2006) 1253-1265. The reductive amination as a labeling technique is usually used for the product the cleavage of glycosaminoglycans with nitrous acid applied. It follows the reaction with a marker containing a primary amine within its structure. The final step is reduction with sodium cyanoborohydride or a similar reducing agent. This process has been studied in detail in the labeling of glycosaminoglycans with 2-aminopyridine [J. Biochem. 95 (1984), 197-203; J. Biochem 110 (1991) 132-135]. The main disadvantages are low yields of polysaccharides with higher molecular weights and in the complexity of this method, which precludes its broad application. An alternative method is to react the free amines of the polysaccharides by selectively binding the target molecules to the amine groups via hydroxysuccinimide (NHS) ester, which is disclosed in Bioorganic & Medicinal Chemistry 14 (2006) 2300-2313. This highly selective technique is subject to extensive limitations. In particular, this technique can only be applied to polysaccharides containing free amino groups. Another essential limitation is that the molecules that are to be chemically bound to a polysaccharide need an NHS ester group or a functional group that can be converted into an NHS ester, which in turn, in turn, the possible functional residues of the to be stored molecules in that no amino groups or similar nucleophilic groups should be present, which would be able to react even with the NHS ester. Thus, the choice of molecules applicable to the chemical modification of polysaccharides (according to the previously described method) as well as the biological or physical versatility of the final products is significantly limited. More specifically, this technique is limited primarily to fluorescein, coumarin, dansyl and biotin, which do not contain free amino groups. Labeling of polysaccharides by the family of common chromophoric labels, such as Alexa ™ Flour, HiLyte ™ Flour, DyLight ™ Flour and others, does not allow this chemistry to be used. The use of carbodiimide chemistry to form a covalent bond between the free carboxyl groups of the target molecule and any amino group of a label is another method of functionalizing polysaccharides. The standard method involves the use of ethyl 3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) or similar activating reagents for the modification of a polysaccharide in admixture with a marker in a one-step mechanism. Hydroxysuccinimide (NHS) or hydroxysulfosuccinimide (sulfo-NHS) is used as a catalyst to increase the yield in this reaction by forming a more stable intermediate, the NHS or s-NHS ester of the carboxyl groups. However, the average yield in the methods described so far is in the range of 30 to 50%, which is unprofitable for the use of expensive markers such as Alexa ™ Flour. Furthermore, this method is due to the structure of the markers and functional molecules used only limited. For example, no carboxyl functions should be present to prevent intermolecular crosslinking.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens für die Durchführung von Modifikationen an Sacchariden mit einer Vielzahl von Markern oder funktionellen Molekülen, das auch unter wässrigen Bedingungen kostengünstig und mit hohen Ausbeuten durchführbar ist. Ein solches Verfahren sollte geeignet sein, eine Vielzahl von physikalisch oder biologisch aktiven Molekülen für die Nutzung im Tissue-Engineering und für die Entwicklung von Arzneimitteln kovalent an die Saccharid-Einheiten anzubinden. In diesem Zusammenhang sollte das Verfahren die Anwendung einer Vielzahl von veränderlichen Molekülen für moderne in vitro- und in vivo-The object underlying the invention is to provide a method for carrying out modifications to saccharides having a multiplicity of markers or functional molecules which can be carried out inexpensively and in high yields even under aqueous conditions. Such a method should be capable of covalently attaching a variety of physically or biologically active molecules to the saccharide units for use in tissue engineering and drug development. In this context, the process should include the use of a variety of mutable molecules for modern in vitro and in vivo
Tests mit Polysacchariden, einschließlich Glykosaminoglykanen und ihrenTests with polysaccharides, including glycosaminoglycans and their
Derivaten, ermöglichen. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Modifikation und Funktionalisierung von Sacchariden, umfassend die einzelnen Verfahrensschritte: Derivatives allow. The solution of this problem according to the invention consists in a process for the modification and functionalization of saccharides, comprising the individual process steps:
a) Aktivierung der Carboxylgruppen der Saccharide durch eine primäre Reaktion der jeweiligen Carboxylgruppe mit einem Carbodiimid oder einem Triazol als Aktivierungsreagenz und eine anschließende Reaktion mit N-Hydroxysuccinimid (NHS) oder einem von dessen Derivaten,  a) activation of the carboxyl groups of the saccharides by a primary reaction of the respective carboxyl group with a carbodiimide or a triazole as activating reagent and a subsequent reaction with N-hydroxysuccinimide (NHS) or one of its derivatives,
b) Reaktion der aktivierten Carboxylgruppen mit primären Aminogruppen von aminfunktionalisierten, optisch oder biologisch aktiven Molekülen unter Ausbildung einer Amidbindung.  b) Reaction of the activated carboxyl groups with primary amino groups of amine-functionalized, optically or biologically active molecules to form an amide bond.
Gemäß der Konzeption der Erfindung wird diese kovalente Modifikation der Saccharide in wässrigen Lösungen in einem Zwei-Stufen-Mechanismus durchgeführt, um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden. In einem ersten Schritt werden dabei N HS-Ester der freien Carboxylgruppen am Saccharid gebildet. In einem zweiten Schritt erfolgt dann die Umwandlung durch die Reaktion der NHS-aktivierten Saccharidcarboxylgruppen mit primären Amino-Gruppen eines Markermoleküls beziehungsweise eines anderen funktionellen Moleküls. According to the concept of the invention, this covalent modification of the saccharides in aqueous solutions is carried out in a two-step mechanism to avoid unwanted side reactions. In a first step, N HS esters of the free carboxyl groups are formed on the saccharide. In a second step, the conversion then takes place by the reaction of the NHS-activated saccharide carboxyl groups with primary amino groups of a marker molecule or of another functional molecule.
Das vorgeschlagene Verfahren kann für die Funktionalisierung einer Vielzahl von Sacchariden durch Bildung einer Amid-Bindung mit einer Vielzahl anderer Moleküle (zum Beispiel Signalmoleküle und Marker) genutzt werden. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, dass fast alle Moleküle, die in wässrigen Lösungen löslich sind und eine freie Amino-Gruppe enthalten, kovalent an Saccharide angebunden werden können. Diese Anforderung erfüllen beispielsweise fast alle Proteine. Die Möglichkeit der kovalenten Anbindung in wässriger Lösung verringert störende Nebenreaktionen, die durch andere funktionelle Gruppen innerhalb des Markermoleküls beziehungsweise des funktionellen Moleküls verursacht werden. Dieses Verfahren erlaubt es, die Reaktion zwischen einem Saccharid und einem Marker oder einem ähnlichen funktionellen Molekül für die Bildung von einem kovalent markierten Produkt in der Form zu kontrollieren, dass Ausbeuten größer als 90 % erreicht werden. Oft werden mit der erfindungsgemäßen Technik auch Ausbeuten bis zu 95 % (bezogen auf den Umsatz der Carboxylgruppen an den Sacchariden) erreicht. Daher ist bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verwendung äquimolarer Mengen an Saccharid und an Markermolekülen beziehungsweise biofunktionellen Molekülen möglich, so dass Modifikationen sogar mit kostenintensiven Markern, wie zum Beispiel Fluoreszenz-Farbstoffen, oder maßgeschneiderten Proteinen wirtschaftlich vertretbar sind. The proposed method can be used to functionalize a variety of saccharides by forming an amide linkage with a variety of other molecules (eg, signal molecules and markers). The peculiarity of this method is that almost all molecules which are soluble in aqueous solutions and contain a free amino group can be covalently attached to saccharides. For example, almost all proteins fulfill this requirement. The possibility of covalent attachment in aqueous solution reduces interfering side reactions caused by other functional groups within the marker molecule or the functional molecule, respectively. This method allows the To control the reaction between a saccharide and a marker or similar functional molecule for the formation of a covalently-labeled product in the form that yields greater than 90% are achieved. Often, yields of up to 95% (based on the conversion of the carboxyl groups on the saccharides) are achieved with the technique according to the invention. Therefore, when using the method according to the invention, the use of equimolar amounts of saccharide and on marker molecules or biofunctional molecules is possible, so that modifications even with costly markers, such as fluorescent dyes, or tailor-made proteins are economically justifiable.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Markierung beziehungsweise Modifikation durch die kovalente Anbindung einer primären Amino-Gruppe von einem Marker oder einem funktionellen Molekül an eine NHS-aktivierte Carboxylgruppe der Saccharide erreicht. Die Reaktion findet in wässrigen Lösungen statt, was die Funktionalisierung von sehr hydrophilen Sacchariden wie Glykosaminoglykanen erlaubt. Als Saccharide beziehungsweise Polysaccharide können in dem erfindungsgemäßen Verfahren somit Polyglukosaminoglykane, wie insbesondere Heparin oder auch Hyaluronsäure, modifiziert und funktionalisiert werden. With the method according to the invention, the labeling or modification is achieved by the covalent attachment of a primary amino group of a marker or a functional molecule to an NHS-activated carboxyl group of the saccharides. The reaction takes place in aqueous solutions, which allows the functionalization of very hydrophilic saccharides, such as glycosaminoglycans. As saccharides or polysaccharides in the process according to the invention thus polyglucosaminoglycans, in particular heparin or hyaluronic acid, can be modified and functionalized.
Als Aktivierungsreagenzien, die im primären Aktivierungschritt bei der Aktivierung von Carboxylgruppen eingesetzt werden, sind insbesondere Verbindungen aus der Klasse der Carbodiimide vorgesehen, vorzugsweise 1- Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)-carbodiimid (EDC), wobei aber auch ähnliche Verbindungen, wie zum Beispiel Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) oder Diisopropylcarbodiimid (DIC), eingesetzt werden können. Alternativ zur Verwendung von Carbodiimiden sind als Aktivierungsreagenz für die primäre Reaktion des Aktivierungsschritts a) auch Verbindungen aus der Klasse der Triazole möglich. Dazu gehören 1-Hydroxy-benzotriazol (HOBt) und 1-Hydroxy- 7-aza-Benzotriazol (HOAt), aber auch andere ähnliche Verbindungen. In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als N-Hydroxysuccinimid-Derivat für die Aktivierung der Carboxylgruppen N-Hydroxysulfosuccinimid (s-NHS) verwendet. Insbesondere reagieren mit 1-Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl-)carbodiimid (EDC) in der primären Reaktion und mit N-hydroxysulfosuccinimid (s-NHS) in der anschließenden Reaktion aktivierte Carboxylgruppen von Sacchariden mit den Amino-Gruppen von aminfunktionalisierten funktionellen Molekülen beziehungsweise chromophoren Markern. Dies erlaubt die Bildung von modifizierten oder markierten Sacchariden mit einer breiten Palette von optisch und biologisch aktiven Einheiten oder Funktionen, deren Eigenschaften in Biomaterialstudien sowie in biologischen und medizinischen Untersuchungen von Nutzen sind. In dieser Ausführungsform des Verfahrens werden in dem ersten so genannten Aktivierungsschritt die Carboxylgruppen des jeweiligen Saccharids beziehungsweise Polysaccharids in hochreaktive Sulfo-N HS-Ester umgewandelt, die für die spätere stöchiometrische Reaktion von annähernd 1 :1 mit primären Amino-Gruppen geeignet sind, welche zu dem jeweiligen funktionellen Molekül oder chromophoren Marker gehören. As activating reagents which are used in the activation step of the activation of carboxyl groups in the primary activation step, in particular compounds from the class of carbodiimides are provided, preferably 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), but also similar compounds, such as For example, dicyclohexylcarbodiimide (DCC) or diisopropylcarbodiimide (DIC) can be used. As an alternative to the use of carbodiimides, compounds from the class of triazoles are also possible as activating reagents for the primary reaction of the activation step a). These include 1-hydroxy-benzotriazole (HOBt) and 1-hydroxy-7-aza-benzotriazole (HOAt), but also other similar compounds. In a particularly preferred embodiment of the process according to the invention, N-hydroxysulfosuccinimide (s-NHS) is used as the N-hydroxysuccinimide derivative for the activation of the carboxyl groups. In particular, with 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) in the primary reaction and with N-hydroxysulfosuccinimide (s-NHS) in the subsequent reaction, activated carboxyl groups of saccharides react with the amino groups of amine functionalized functional molecules or chromophoric markers. This allows the formation of modified or labeled saccharides with a wide range of optically and biologically active moieties or functions, which properties are useful in biomaterial studies as well as in biological and medical investigations. In this embodiment of the process, in the first so-called activation step, the carboxyl groups of the respective saccharide or polysaccharide are converted into highly reactive sulfo-NHS esters which are suitable for the subsequent stoichiometric reaction of approximately 1: 1 with primary amino groups which belong to the respective functional molecule or chromophoric marker.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die spezielle Anbindung eines chromophoren Markers, zum Beispiel eines Markers mit einer starken Fluoreszenz, aus einer Vielzahl von optisch aktiven Molekülen auch in Anwesenheit von Carboxylgruppen innerhalb der anzubindendenThe peculiarity of the method according to the invention is that the special connection of a chromophoric marker, for example a marker with a strong fluorescence, of a multiplicity of optically active molecules, also in the presence of carboxyl groups, is to be bound within the zone
Moleküle selbst möglich ist. Das Gleiche gilt auch für an den Carboxylgruppen der Saccharide anzubindende biologisch aktive Moleküle, wie zum Beispiel biologisch aktive Peptide und Proteine. Darüber hinaus ermöglicht diesesMolecules themselves is possible. The same applies to biologically active molecules to be attached to the carboxyl groups of the saccharides, such as biologically active peptides and proteins. In addition, this allows
Verfahren die kovalente Anlagerung von Markern/funktioneilen Molekülen anProcess the covalent attachment of markers / functional molecules
Saccharidmolekülen in wässriger Lösung, ohne dabei komplizierteSaccharide molecules in aqueous solution, without complicated
Markierungstechniken in organischen Lösungsmitteln anwenden zu müssen, wie sie zum Beispiel bei der Umsetzung (Markierung) von Hydroxylgruppen (OH-) unter absolut wasserfreien Bedingungen notwendig sind. Daher ist es auch möglich, stark geladene Glykosaminoglykane wie Heparin zu markieren, die in organischen Lösungsmitteln aufgrund ihrer schlechten Löslichkeit nicht modifiziert werden können. In der Regel erlaubt dieses Verfahren eine "sanftere" Markierung. Aus diesem Grund können bioaktive Moleküle markiert werden, ohne dass sie ihre biologische Funktionalität beziehungsweise ihre strukturelle Integrität verlieren. Neben wirtschaftlichen Vorteilen, die sich aus dem Umstand ergeben, dass die Reaktionsausbeuten von mehr als 95 % Abfälle von teuren Reagenzien vermeiden und diese Reaktion sehr günstig für den industriellen Einsatz gestalten, ermöglicht das Verfahren eine genaue Kontrolle der Stöchiometrie zwischen den Sacchariden und den Markern, was sehr wichtig ist, um die Eigenschaften des gebildeten Konjugats präzise einzustellen. To have to apply labeling techniques in organic solvents, as they are necessary, for example, in the implementation (labeling) of hydroxyl groups (OH-) under absolutely anhydrous conditions. Therefore, it is also possible to label highly charged glycosaminoglycans such as heparin, which can not be modified in organic solvents due to their poor solubility. In general, this method allows a "gentler" mark. For this reason, bioactive molecules can be labeled without losing their biological functionality or their structural integrity. In addition to the economic benefits derived from the fact that the greater than 95% reaction yields avoid waste from expensive reagents and make this reaction very favorable for industrial use, the process allows for precise control of the stoichiometry between the saccharides and the labels, which is very important to precisely adjust the properties of the conjugate formed.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1a: ein UV-Vis-Spektrum von Azur A; Fig. 1a: a UV-Vis spectrum of azure A;
Fig. 1b: ein UV-Vis-Spektrum von Heparin; Fig. 1b: a UV-Vis spectrum of heparin;
Fig. 1c: übereinandergelegte normalisierte UV-Vis-Spektren von Heparin und Heparin-Azur A; Fig. 1c: superimposed normalized UV-Vis spectra of heparin and heparin azure A;
Fig. 2a: ein Hochdruck-Größenausschluss-Chromatogramm (HPSEC) von Fig. 2a: a high pressure size exclusion chromatogram (HPSEC) of
Heparin bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aquagel-OH- Heparin when using an 8 μm column PL-Aquagel-OH
Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7; Mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 2b: ein Hochdruck-Größenausschluss-Chromatogramm (HPSEC) vom Heparin-Azur-A-Produkt bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aq uagel-OH-Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 3a: ein HPSEC-Chromatogramm von Heparin bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aquagel-OH-Gemisch und 10O mM Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 3b: ein HPSEC-Chromatogramm einer Heparin-Alexa™ Flour 488 Fig. 2b: a high pressure size exclusion chromatogram (HPSEC) of heparin azure A product using a 8 μm column PL-Aq uagel-OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7; FIG. 3a: an HPSEC chromatogram of heparin using an 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 10 mM phosphate buffer of pH 7; FIG. 3b: an HPSEC chromatogram of a Heparin-Alexa ™ Flour 488. FIG
Reaktionsmischung bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL- Aquagel-OH-Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7;  Reaction mixture using an 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 3c: ein HPSEC-Chromatogramm von gereinigtem Heparin-Alexa™- Flour-488-Produkt bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aquagel-FIG. 3 c: an HPSEC chromatogram of purified heparin Alexa ™ Flour 488 product using an 8 μm column PL-Aquagel
OH-Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7; OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 4a: ein HPSEC-Chromatogramm von Alexa™ Flour 488 bei FIG. 4a: an HPSEC chromatogram of Alexa ™ Flour 488 at
Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aquagel-OH-Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7;  Use of an 8 μm column PL-Aquagel-OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 4b: ein UV-Vis Spektrum von Alexa™ Flour 488 in Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 4c: ein UV-Vis-Spektrum von Heparin-Alexa™ Flour 488 in Fig. 4b: a UV-Vis spectrum of Alexa ™ Flour 488 in pH 7 phosphate buffer; Fig. 4c: a UV-Vis spectrum of heparin Alexa ™ Flour 488 in
Phosphatpuffer vom pH 7;  Phosphate buffer of pH 7;
Fig. 5a: Emissions-Spektren von Alexa™ Flour 488, Anregung bei 488 nm in Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 5a: Emission spectra of Alexa ™ Flour 488, excitation at 488 nm in phosphate buffer of pH 7;
Fig. 5b: Emissions-Spektren von Heparin-Alexa™ Flour 488, Anregung bei 488 nm in Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 6a: HPSEC-Chromatogramm der Hyaluronsäure bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aquagel-OH-Gemisch und 10O mM Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 6b: HPSEC-Chromatogramm von Alexa™ Flour 488 bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aquagel-OH-Gemisch und 10O mM Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 5b: Emission spectra of Heparin-Alexa ™ Flour 488, excitation at 488 nm in phosphate buffer of pH 7; 6a: HPSEC chromatogram of hyaluronic acid using an 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 10 mM phosphate buffer of pH 7; Fig. 6b: HPSEC chromatogram of Alexa ™ Flour 488 using an 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 10 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 6c: HPSEC-Chromatogramm von Alexa™-Flour-488- Hyaluronsäure- Produkt bei Verwendung einer 8 μm-Säule PL-Aquagel-OH-FIG. 6 c: HPSEC chromatogram of Alexa ™ -Flour-488-hyaluronic acid product using an 8 μm column PL-Aquagel-OH
Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7; Mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 7a: HPSEC-Chromatogramm von Hyaluronsäure mit niedrigem Fig. 7a: HPSEC chromatogram of low hyaluronic acid
Molekulargewicht bei Verwendung einer PhenomenexΘ-BioSep- S-2000-Säule und 100 mM Phosphat-Puffer vom pH 7;  Molecular weight using a Phenomenex® BioSep S-2000 column and 100 mM pH 7 phosphate buffer;
Fig. 7b: HPSEC-Chromatogramm von Alexa™-Hyaluronsäure-Produkt bei Fig. 7b: HPSEC chromatogram of Alexa ™ hyaluronic acid product at
Verwendung einer Phenomenex® BioSep S-2000-Säule und Using a Phenomenex® BioSep S-2000 column and
100 mM Phosphatpuffer vom pH 7; 100 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 8a: HPSEC-Chromatogramm von Heparin bei Verwendung einer Fig. 8a: HPSEC chromatogram of heparin using a
8 μm-Säule von PL-Aquagel-OH-Gemisch und 100 mM 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 100 mM
Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 8b: HPSEC-Chromatogramm von cRGD bei Verwendung einer 8 μm- Säule von PL-Aquagel-OH-Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 9a: HPSEC-Chromatogramm der Reaktionsmischung von Heparin- cRGD bei Verwendung einer 8 μm-Säule von PL-Aquagel-OH- Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7; Fig. 9b: HPSEC-Chromatogramm von dem gereinigten Heparin-cRGD bei Phosphate buffer of pH 7; 8b: HPSEC chromatogram of cRGD using an 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7; 9a: HPSEC chromatogram of the reaction mixture of heparin cRGD using an 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7; Fig. 9b: HPSEC chromatogram of the purified heparin cRGD at
Verwendung einer 8 μm-Säule von PL-Aquagel-OH-Gemisch und 100 mM Phosphatpuffer vom pH 7;  Use of an 8 μm column of PL-Aquagel-OH mixture and 100 mM phosphate buffer of pH 7;
Fig. 10a: ein UV-Vis-Spektrum von unmodifiziertem Heparin; Fig. 10a: a UV-Vis spectrum of unmodified heparin;
Fig. 10b: ein UV-Vis-Spektrum von Heparin-c-RGD-Produkt und Fig. 10b: a UV-Vis spectrum of heparin c-RGD product and
Fig. 10c: ein UV-Vis-Spektrum von c-RGD-Peptid. Ausführungsbeispiel I: Fig. 10c: a UV-Vis spectrum of c-RGD peptide. Embodiment I:
Das Ausführungsbeispiel I bezieht sich auf die Markierung von Heparin mit Azur A. Heparin wird häufig als Arzneimittel genutzt. In jüngster Zeit wurde Heparin auch als aktive Komponente von einigen Bio-Hybrid-Materialien angewendet, die ein großes Potenzial sowohl in „Tissue-Engineering"- Anwendungen als auch als Freisetzungsmedium für pharmazeutische Wirkstoffe aufweisen. Heparin ist ein natürliches Polyglukosaminoglykan- Molekül. Dieses Biopolymer weist eine sehr hohe negative Ladungsdichte auf, die auf den starken Sulfatierungsgrad zurückzuführen ist. Diese Charakteristik des Heparins ist entscheidend für seine biologische Aktivität, daher ist die Anwendung der reduktiven Aminierung zur Markierung wegen einer möglichen Desulfatation seiner Amino-Gruppen nachteilig.  Embodiment I relates to the labeling of heparin with Azur A. Heparin is often used as a drug. More recently, heparin has also been used as an active component of some bio-hybrid materials that have great potential in both tissue engineering applications and as a drug delivery medium Heparin is a natural polyglucosaminoglycan molecule has a very high negative charge density due to the high degree of sulfation This characteristic of heparin is crucial for its biological activity, therefore the application of the reductive amination to labeling is disadvantageous because of a possible desulfation of its amino groups.
Heparin besitzt kein charakteristisches Absorptionsmuster imHeparin has no characteristic absorption pattern in
UV-Vis-Spektrum, doch die Markierung mit einem starken Farbstoff ermöglicht eine einfache Beobachtung und Quantifizierung des Heparins in Geweben oder Biohybrid-Materialien. Die geringe Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln und hohe Hydrolyseempfindlichkeit beschränkt die Chemie für die Modifikation. Heparin variiert in seinem Molgewicht. Ein kommerziell verfügbares Heparin hat ein mittleres Molgewicht von ca. 14 kDa und etwa 28 Carboxylgruppen pro Molekül, die mit Farbstoffen, die eine primäre Aminogruppe enthalten, reagieren. Für Azur A konnte gezeigt werden, dass es mit Heparin durch die Bildung von Amidbindungen reagiert. UV-Vis spectrum, but labeling with a strong dye allows easy observation and quantitation of heparin in tissues or Biohybrid materials. The low solubility in organic solvents and high sensitivity to hydrolysis limits the chemistry for the modification. Heparin varies in its molecular weight. A commercially available heparin has an average molecular weight of about 14 kDa and about 28 carboxyl groups per molecule which react with dyes containing a primary amino group. Azur A has been shown to react with heparin through the formation of amide bonds.
Das Verfahren wird folgendermaßen durchgeführt: 0655 mg EDC [10-facher Überschuss] und 0,45 mg NHS [5-facher Überschuss] wurden zu einer Lösung von 5 mg Heparin in Boratpuffer (pH = 8) hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 10 Minuten lang bei Raumtemperatur gehalten. Als Nächstes wurde die äquimolare Lösung Azur A in Boratpuffer (pH = 8) hinzugefügt. Das Gesamtvolumen des Reaktionsgemisches betrug 100 μl. Die Reaktion wurde über Nacht bei 40 0C fortgesetzt. Die Reinigung des Heparin- Azur-A- Produkts erfolgte durch Dialyse gegen 800 ml 1 M Natriumchloridlösung, gefolgt von der dreimaligen Dialyse gegen 800 ml deionisiertem Wasser unter Verwendung einer Membran mit einer Molmassenausschlussgröße (MWCO) von 1000 Da. Dabei sollte unumgesetztes Azur A quantitativ entfernt werden. Danach wurde das Produkt gefriergetrocknet und es wurden 4,8 mg amorpher blauer Rückstand gesammelt. The procedure is performed as follows: 0655 mg EDC [10-fold excess] and 0.45 mg NHS [5-fold excess] were added to a solution of 5 mg heparin in borate buffer (pH = 8). The reaction mixture was kept at room temperature for 10 minutes. Next, the equimolar solution Azur A in borate buffer (pH = 8) was added. The total volume of the reaction mixture was 100 μl. The reaction was continued at 40 ° C. overnight. Purification of the heparin-Azur-A product was carried out by dialysis against 800 ml of 1 M sodium chloride solution followed by dialysis three times against 800 ml of deionized water using a membrane with a molecular weight exclusion quantity (MWCO) of 1000 Da. Unreacted azure A should be removed quantitatively. Thereafter, the product was freeze-dried and 4.8 mg of amorphous blue residue were collected.
Ergebnisse des Ausführungsbeispiels I: Results of Embodiment I:
Heparin zeigt kein Absorptionsmuster im UV-Vis-Spektrum und daher auch gemäß Fig. 1b keine Absorption bei 600 nm, wohingegen das Azur-A-Molekül gemäß Fig. 1a eine charakteristische Absorption bei 290 nm und bei 600 nm zeigt. Die UV-Vis-Spektren des gereinigten Heparin-Azur-A-Konjugates zeigen die charakteristischen Absorptionen bei 290 nm und 600 nm gemäß Fig. 1c. Der Unterschied zwischen den UV-Vis-Spektren des Heparin-Azur-A-Konjugates und Heparin ist deutlich zu erkennen: Heparin shows no absorption pattern in the UV-Vis spectrum and therefore also in accordance with FIG. 1b no absorption at 600 nm, whereas the azure-A molecule according to FIG. 1a shows a characteristic absorption at 290 nm and at 600 nm. The UV-Vis spectra of the purified heparin-azure-A conjugate show the characteristic absorbances at 290 nm and 600 nm as shown in Fig. 1c. The difference between the UV-Vis spectra of the heparin-azure-A conjugate and heparin can be clearly seen:
Die Reinheit des Produktes wird durch Hochleistungs- Größenausschlusschromatographie (HPSEC) bestätigt. Heparin eluiert gemäß Fig. 2a als ein Peak im HPSE-Chromatogramm mit einer Elutionszeit von 17 Minuten, was sich durch das Auftreten der Absorption bei 210 nm zeigt. Das HPSE-Chromatogramm des gereinigten Produktes zeigte, wie in Fig. 2b zu sehen, nur einen Peak bei 17 Minuten, der charakteristisch für Heparin ist. Das Produkt bewirkt eine starke Absorption bei 600 nm, wie in Fig. 1a und Fig. 1c zu sehen ist, die eindeutig das Vorhandensein von Azur A innerhalb der Struktur des Produktes anzeigt. The purity of the product is confirmed by high performance size exclusion chromatography (HPSEC). Heparin elutes as shown in Figure 2a as a peak in the HPSE chromatogram with an elution time of 17 minutes, as evidenced by the appearance of absorbance at 210 nm. The HPSE chromatogram of the purified product showed, as seen in Figure 2b, only one peak at 17 minutes characteristic of heparin. The product causes a strong absorption at 600 nm, as can be seen in Figures 1a and 1c, which clearly indicates the presence of azure A within the structure of the product.
Ausführungsbeispiel II: Exemplary embodiment II:
Das Ausführungsbeispiel Il betrifft beispielhaft die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Markierung von Heparin mit nichtmodifiziertem Alexa™-Flour-488-Farbstoff unter Nutzung eines zweistufigen Verfahrens, basierend auf der Carbodiimidchemie. Alexa™ ist eine US-Marke für molekulare Sonden. Die aliphatische Amino-Gruppe in der Struktur des Farbstoffes wird für die kovalente Anbindung dieses Farbstoffes an eine Carboxylgruppe des Heparins durch Bildung einer Amid-Bindung genutzt, wobei die Ausbeute mehr als 90 % beträgt.  Exemplary embodiment II relates, by way of example, to the use of the method of the invention for the labeling of heparin with unmodified Alexa ™ flour 488 dye using a two-step procedure based on carbodiimide chemistry. Alexa ™ is a US molecular probe brand. The aliphatic amino group in the structure of the dye is used for the covalent attachment of this dye to a carboxyl group of the heparin by forming an amide bond, the yield being more than 90%.
Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt: 30 mg EDC [3,5-facher Überschuss] und 0,17 mg NHS [2,0-facher Überschuss] wurden zu einer Lösung von 5,4 mg Heparin (3,85 * 10~4 mmol) in Boratpuffer vom pH = 8 hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 15 Minuten lang bei 5 0C gehalten. Als Nächstes wurden 0,25 mg Alexa™ Flour 488 (3,9 * 10-4 mmol) in Boratpuffer vom pH = 8 hinzugefügt. Das Gesamtvolumen des Reaktionsgemisches betrug 50 μl. Die Reaktion wurde über Nacht bei Raumtemperatur fortgesetzt. Das Heparin-Alexa™ 488-Produkt wurde durch Dialyse gegen 800 ml 1 M Natriumchloridlösung gereinigt, um unumgesetztes Alexa™ Flour 488 quantitativ zu entfernen, wobei eine Membran mit einer mittleren Molmassenausschlussgröße von 1000 Da verwendet wurde. Es folgte die dreimalige Dialyse gegen 800 ml Wasser. Danach wurde das Produkt gefriergetrocknet und es wurden 5,35 mg amorpher orangefarbener Rückstand gesammelt, was einer Ausbeute von 95 % entspricht. The procedure is performed as follows: 30 mg EDC [3.5-fold excess] and 0.17 mg NHS [2.0-fold excess] were added to a solution of 5.4 mg heparin (3.85 * 10 -4 mmol) in borate buffer of pH = 8. The reaction mixture was held at 5 ° C. for 15 minutes. Next, 0.25 mg Alexa Flour ™ were (* 10-4 3.9 mmol) was added in borate buffer, pH = 8 488th The total volume of the reaction mixture was 50 μl. The reaction was continued overnight at room temperature. The Heparin-Alexa ™ 488 product was purified by dialysis against 800 ml of 1 M sodium chloride solution to unreacted Alexa ™ Flour 488 quantitatively, using a membrane with a mean molecular weight exclusion size of 1000 Da. This was followed by three dialysis sessions against 800 ml of water. Thereafter, the product was freeze-dried and 5.35 mg of amorphous orange residue was collected, which corresponds to a yield of 95%.
Ergebnisse des Ausführungsbeispiels II: Results of Embodiment II:
Die starke Absorption des Heparin-Alexa™-Produktes bei 488 nm gemäß The strong absorption of the heparin Alexa ™ product at 488 nm according to
Fig. 3c und ihre Abwesenheit bei reinem Heparin, wie in Fig. 3a gezeigt, ermöglicht eine einfache Überwachung der Reaktion mittels Hochdruck- Größenausschluss-Chromatographie (HPSEC). Die Elutionszeit des Heparins beträgt 17 Minuten, was durch die Überwachung der Absorption bei 230 nm im HPSE-Chromatogramm in Fig. 3a erkennbar ist. Das Reaktionsgemisch liefert gemäß Fig. 3b mehrere Peaks im HPSE-Chromatogramm bei 17, 19 und 20 Minuten, die dem Heparin (Peak bei 17 Minuten), unumgesetztem Alexa™ Flour (Peak bei 19 Minuten) und niedermolekularem Nebenprodukt von EDC und NHS (Peak bei 20 Minuten) entsprechen. Das HPSE- Chromatogramm des gereinigten Produktes sollte nur einen Peak bei 17 Minuten zeigen, welcher bei der Überwachung der Absorption bei 230 nm charakteristisch für Heparin ist. Dennoch hat das Produkt gemäß Fig. 3c auch eine starke Absorption bei 488 nm, die auf das Vorhandensein von Alexa™ Flour 488 in der Struktur des Produktes hinweist. Figure 3c and its absence with pure heparin, as shown in Figure 3a, allows easy monitoring of the reaction by high pressure size exclusion chromatography (HPSEC). The elution time of heparin is 17 minutes, which can be seen by monitoring the absorption at 230 nm in the HPSE chromatogram in Fig. 3a. The reaction mixture provides, as shown in Figure 3b, several peaks in the HPSE chromatogram at 17, 19 and 20 minutes corresponding to heparin (peak at 17 minutes), unreacted Alexa ™ flour (peak at 19 minutes) and low molecular weight by-product of EDC and NHS (peak at 20 minutes). The HPSE chromatogram of the purified product should show only one peak at 17 minutes, which is characteristic of heparin when monitoring absorbance at 230 nm. However, the product of Figure 3c also has a strong 488 nm absorption, which indicates the presence of Alexa ™ Flour 488 in the structure of the product.
Alexa™ Flour 488 besitzt eine starke Absorption bei 488 nm, die in UV-Vis- Spektren sichtbar ist und gemäß Fig. 4a durch Hochdruck-Alexa ™ Flour 488 has a strong absorption at 488 nm, which is visible in UV-Vis spectra and, as shown in FIG.
Größenausschluss-Chromatographie (HPSEC) überwacht werden kann. Für das Heparin-Alexa™-Flour-488-Produkt wurde erwartet, dass es ein ähnlichesSize exclusion chromatography (HPSEC) can be monitored. The Heparin Alexa ™ Flour 488 product was expected to be a similar
Absorptionsverhalten wie Alexa™ Flour aufweist. Offenbar liefert dasAbsorbent behavior like Alexa ™ Flour. Apparently, that delivers
Heparin-Alexa™-Flour-488-Produkt fast identische UV-Vis-Spektren wie Alexa™ Flour 488, was durch einen Vergleich der Fig. 4b und Fig. 4c zu erkennen ist. Ähnlich verhält es sich beim Vergleich der wässrigen Lösung von Alexa™ Flour 488, gezeigt in Fig. 5a, und dem Heparin-Alexa™-Flour-488- Produkt, gezeigt in Fig. 5b. Das Reaktionsprodukt liefert gemäß Fig. 5b eine starke Emission bei 530 nm, was auf die Emission des während der Konjugationsreaktion in seiner Funktionalität nicht veränderten Alexa™-Farbstoffes zurückzuführen ist. Heparin Alexa ™ Flour 488 product almost identical UV Vis spectra as Alexa ™ Flour 488, which can be seen by comparing Figures 4b and 4c. Similarly, when comparing the aqueous solution of Alexa ™ Flour 488 shown in Figure 5a and the heparin Alexa ™ Flour 488 product shown in Figure 5b. The reaction product provides, as shown in Figure 5b, a strong emission at 530 nm due to the emission of the Alexa ™ dye unaltered in its functionality during the conjugation reaction.
Ausführungsbeispiel III: Embodiment III:
Das Ausführungsbeispiel III betrifft die Markierung von Hyaluronsäure durch Alexa™ Flour 488. Hyaluronsäure, auch bekannt als Hyaluronan, ist ein nicht sulfatisiertes Glykosaminoglykan, das weithin als Arzneimittel und in der Kosmetik genutzt wird. Wie die meisten Polysaccharide hat Hyaluronsäure kein charakteristisches Absorptionsmuster im UV-Vis-Spektrum, weshalb eine Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen notwendig ist, damit sie mit dieser Methode nachweisbar ist. Jeder Disaccharidrückstand der Hyaluronsäure enthält eine Carbonsäure-Gruppe, die mit Farbstoffen modifiziert werden kann, welche jeweils eine primäre Amino-Gruppe besitzen. Alexa™ Flour 488 reagiert mit Hyaluronsäure (17 kDa) unter Bildung einer Amid-Bindung. Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt: Ähnlich wie im Ausführungsbeispiel Il wurden 0,14 mg EDC [2,0-facher Überschuss] und 0,086 mg NHS [1-facher Überschuss (= äquimolare Menge)] einer Lösung von 3,03 mg Hyaluronsäure, die 3,85 * 10~4 mmol bei einem Molekulargewicht von = 17.000 Da entsprechen, in Boratpuffer (pH = 8) hinzugefügt. Das Reaktionsgemisch wurde 15 Minuten lang bei 5 °C gehalten. Als Nächstes wurden 0,25 mg Alexa™ Flour 488, die 3,9 * 10"4 mmol entsprechen, in Boratpuffer (pH = 8) hinzugefügt. Das Gesamtvolumen des Reaktionsgemisches betrug 50 μl. Die Reaktion wurde über Nacht bei Raumtemperatur fortgesetzt. Das Alexa™-Flour-488-Hyaluronsäure-Produkt wurde unter Nutzung einer Membran mit einer mittleren Molemassenausschlussgröße von 1.000 Da durch Dialyse gegen 800 ml 1 M Natriumchloridlösung gereinigt, um unumgesetztes Alexa™ Flour 488 quantitativ zu entfernen; es folgte eine dreimalige Dialyse gegen 800 ml Wasser. Danach wurde das Produkt gefriergetrocknet. Es wurden 3,0 mg eines amorphen orangefarbenen Rückstands erhalten, was einer Ausbeute von 95,6 % entspricht. Embodiment III relates to the labeling of hyaluronic acid by Alexa ™ Flour 488. Hyaluronic acid, also known as hyaluronan, is a non-sulfated glycosaminoglycan that is widely used as a drug and in cosmetics. Like most polysaccharides, hyaluronic acid does not have a characteristic absorption pattern in the UV-Vis spectrum, therefore labeling with fluorescent dyes is necessary to be detectable by this method. Each disaccharide residue of hyaluronic acid contains a carboxylic acid group which can be modified with dyes each having a primary amino group. Alexa ™ Flour 488 reacts with hyaluronic acid (17 kDa) to form an amide bond. The procedure is carried out as follows: Similar to Working Example II, 0.14 mg EDC [2.0-fold excess] and 0.086 mg NHS [1-fold excess (= equimolar amount)] of a solution of 3.03 mg hyaluronic acid, which correspond to 3.85 * 10 ~ 4 mmol with a molecular weight of = 17,000 Da, added in borate buffer (pH = 8). The reaction mixture was held at 5 ° C for 15 minutes. Next, 0.25 mg Alexa Flour ™ 488, 10 "correspond to 3.9 * 4 mmol, added in borate buffer (pH = 8). The total volume of the reaction mixture was 50 ul. The reaction was continued overnight at room temperature. The Alexa ™ Flour 488-hyaluronic acid product was purified by dialysis against 800 ml of 1 M sodium chloride solution using a membrane with an average molecular mass exclusion size of 1,000 Da to quantitatively remove unreacted Alexa ™ Flour 488; This was followed by a three-time dialysis against 800 ml of water. Thereafter, the product was freeze-dried. There was obtained 3.0 mg of an amorphous orange residue, which corresponds to a yield of 95.6%.
Ergebnisse des Ausführungsbeispiels III: Results of Embodiment III:
Die starke Absorption des Alexa™-Hyaluronsäure-Produktes bei 488 nm und ihre Abwesenheit für Hyaluronsäure ermöglicht eine einfache Überwachung der Reaktion durch Hochdruck-Größenausschluss-Chromatographie (HPSEC). Die unumgesetzte Hyaluronsäure ergibt im HPSE-Chromatogramm zwei Peaks, wobei der Hauptteil von jedem Peak bei 18 Minuten eluiert. Der kleine Anteil im HPSE-Chromatogramm der Hyaluronsäure gemäß Fig. 6a kann auf niedermolekulare Saccharide zurückgeführt werden. Unter ähnlichen Bedingungen eluiert Alexa™ Flour 488 bei 19 Minuten, wie in Fig. 6b sowohl anhand der Absorption bei 210 nm als auch anhand der Absorption bei 488 nm gezeigt wird. Das gereinigte Konjugat der Hyaluronsäure mit Alexa™ Flour 488 zeigt gemäß Fig. 6c mehrerer Peaks bei der Eluation, wobei der Hauptteil der Peaks bei 18 Minuten auftritt, was dem Verhalten unumgesetzter Hyaluronsäure ähnlich ist. Alle Anteile im HPSE-Chromatogramm des Produktes zeigen jedoch auch eine starke Absorption bei 488 nm, was deutlich das Vorhandensein von Alexa™ Flour 488 innerhalb der Struktur des Produktes anzeigt. The strong absorption of the Alexa ™ hyaluronic acid product at 488 nm and its absence for hyaluronic acid allows easy monitoring of the reaction by high pressure size exclusion chromatography (HPSEC). The unreacted hyaluronic acid gives two peaks in the HPSE chromatogram, with the majority of each peak eluting at 18 minutes. The small proportion in the HPSE chromatogram of the hyaluronic acid according to FIG. 6a can be attributed to low molecular weight saccharides. Under similar conditions, Alexa ™ Flour 488 elutes at 19 minutes as shown in Figure 6b by both absorbance at 210 nm and absorbance at 488 nm. The purified conjugate of hyaluronic acid with Alexa ™ Flour 488, as shown in Figure 6c, shows several peaks in elution, with the majority of peaks occurring at 18 minutes, which is similar to the behavior of unreacted hyaluronic acid. However, all of the components in the product's HPSE chromatogram also show strong absorption at 488 nm, clearly indicating the presence of Alexa ™ Flour 488 within the structure of the product.
Ausführungsbeispiel IV: Exemplary embodiment IV:
Das Ausführungsbeispiel IV betrifft die Markierung von niedermolekularer The embodiment IV relates to the labeling of low molecular weight
Hyaluronsäure mit Alexa™ Flour 488. Das Beispiel zeigt die Markierung niedermolekularer Hyaluronsäure (4,7 kDa), die nur wenige Disaccharidrückstände enthält. Ähnlich wie das Ausführungsbeispiel III zeigt Alexa™ Flour 488 die Bildung eines Amids mit der Carboxylgruppe von Hyaluronsäure bei Anwendung der Standard-Carbodiimidchemie. Das Verfahren wurde wie folgt durchgeführt: Ähnlich wie in Ausführungsbeispiel III wurden 0,14 mg EDC [2,0-facher Überschuss] und 0,086 mg NHS [die äquimolare Menge] einer Lösung von 0,84 mg Hyaluronsäure, die 3,85 * 10"4 mmol bei einem Molekulargewicht von 4.700 Da entsprechen, in Boratpuffer vom pH 8 hinzugefügt. Das Reaktionsgemisch wurde 15 Minuten lang bei 5 0C gehalten. Danach wurden 0,25 mg Alexa™ Flour 488, die 3,9 * 10'4 mmol entsprechen, in Boratpuffer vom pH 8 hinzugefügt. Das Gesamtvolumen des Reaktionsgemisches betrug 50 μl. Die Reaktion wurde über Nacht bei Raumtemperatur fortgesetzt. Das Alexa™-Flour-488-Hyaluronsäure-Produkt wurde unter Verwendung einer Membran mit mittlerer Molmassenausschlussgröße von 1.000 Da durch Dialyse gegen 800 ml 1 M Natriumchloridlösung gereinigt, um unumgesetztes Alexa™ Flour 488 quantitativ zu entfernen. Es folgte die dreimalige Dialyse gegen 800 ml Wasser. Als Nächstes wurde das Produkt gefriergetrocknet. Es wurden 0,8 mg an amorphem orangefarbenen Rückstand erhalten, die einer Ausbeute von 84,4 % entsprechen. Hyaluronic acid with Alexa ™ Flour 488. The example shows the labeling of low molecular weight hyaluronic acid (4.7 kDa), only a few Contains disaccharide residues. Similar to Embodiment III, Alexa ™ Flour 488 shows the formation of an amide with the carboxyl group of hyaluronic acid using standard carbodiimide chemistry. The procedure was carried out as follows: Similarly as in Embodiment III, 0.14 mg EDC [2.0-fold excess] and 0.086 mg NHS [the equimolar amount] of a solution of 0.84 mg hyaluronic acid, which was 3.85 * 10 "4 mmol at a molecular weight of 4,700 Da correspond added in borate buffer pH 8. the reaction mixture was maintained at 5 0 C for 15 minutes. Thereafter, 0.25 mg Alexa Flour ™ 488, the 3.9 * 10 4 mmol The total volume of the reaction mixture was 50 μl and the reaction was continued overnight at room temperature The Alexa ™ flour 488-hyaluronic acid product was dialyzed using a membrane of average molecular weight exclusion size of 1000 Da purified to 800 ml of 1 M sodium chloride solution to quantitatively remove unreacted Alexa ™ Flour 488. Three times dialysis to 800 ml of water was then carried out, Next, the product was freeze-dried 0.8 mg of amorphous orange residue, corresponding to a yield of 84.4%.
Ergebnisse des Ausführungsbeispiels IV: Results of Embodiment IV:
Ähnlich dem Ausführungsbeispiel III eluiert die unumgesetzte niedermolekulare Hyaluronsäure im HPSEC in Form von zwei Peaks, wobei der erste Peak gemäß Fig. 7a sehr breit und mit einem Maximum bei 16 Minuten ausgebildet ist. Das gereinigte Konjugat der niedermolekularen Hyaluronsäure mit Alexa™ Flour 488 zeigt gemäß Fig. 7b ein sehr ähnliches Muster von Peaks im HPSE-Chromatogramm an, die im Gegensatz zur Ausgangskomponente auch eine sehr starke Absorption bei 488 nm liefern. Dies zeigt deutlich die Anwesenheit von Alexa™ Flour 488 innerhalb der Struktur des Produktes an. Ausführungsbeispiel V: Similarly to Embodiment III, the unreacted low molecular weight hyaluronic acid in the HPSEC elutes in the form of two peaks, with the first peak of Fig. 7a being very broad and having a maximum at 16 minutes. The purified conjugate of low molecular weight hyaluronic acid with Alexa ™ Flour 488 shows, according to FIG. 7b, a very similar pattern of peaks in the HPSE chromatogram which, in contrast to the starting component, also give a very strong absorption at 488 nm. This clearly indicates the presence of Alexa ™ Flour 488 within the structure of the product. Embodiment V:
Das Ausführungsbeispiel V betrifft die Funktionalisierung von Heparin durch ein cRGD-Peptid. Die Modifikation von Sacchariden mit biologisch aktiven Molekülen, wie den zelladhäsiven Peptid-Sequenzen, sind von hohem wissenschaftlichem und technologischem Interesse. Exemplarisch beschreibt das folgende Ausführungsbeispiel die Modifikation des Polysaccharids Heparin mit dem Integrin bindenden zyklischen RGD-Peptid, welches im Allgemeinen als häufig angewendeter zelladhäsiver Ligand in der Biomaterialforschung bekannt ist. Die Peptid-Sequenz ist KYRGD in zyklischer Form (cRGD). Die Seitenkettenaminogruppe von Lysin wird für die kovalente Kopplung von cRGD an Heparin-Carboxylgruppen unter jeweiliger Bildung einer Amid-Bindung genutzt. Aufgrund der Tatsache, dass dieses Peptid sowohl Carbonsäuren als auch primäre Amin-Gruppen innerhalb seiner Struktur enthält, ist die kovalente Anlagerung an Polysaccharide durch die Carbodiimidchemie eine Herausforderung, da in einem einstufigen Mechanismus durch Nebenreaktionen zwischen den Carboxyl-Gruppen der Peptide und den Amin- Gruppen von anderen Peptid-Molekülen unerwünschte Aggregationsprodukte produziert würden. Um diese Nebenreaktionen zu vermeiden und die Menge des Peptids, das an ein Polysaccharid gebunden wird, genau zu kontrollieren, wurde das erfindungsgemäße zweistufige Konjugationsverfahren angewendet. Im Einzelnen konnte die stöchiometrische Kopplung von cRGD an Heparin durch Bildung von Amid-Bindungen zwischen den aktivierten Carboxyl- Gruppen des Heparins und den Amino-Gruppen der Lysinmoleküle gezeigt werden. Die Standard EDC-, Sulfo-N HS-Chemie wurde mit 2-fachem Überschuss der Vernetzungsreagenzien angewendet. Die Menge des Peptids innerhalb des Heparin-cRGD-Konjugats erwies sich durch die angewandte Chemie als regulierbar.  Embodiment V relates to the functionalization of heparin by a cRGD peptide. The modification of saccharides with biologically active molecules, such as the cell-adhesive peptide sequences, are of great scientific and technological interest. By way of example, the following embodiment describes the modification of the polysaccharide heparin with the integrin-binding cyclic RGD peptide, which is generally known as a frequently used cell-adhesive ligand in biomaterials research. The peptide sequence is KYRGD in cyclic form (cRGD). The side-chain amino group of lysine is utilized for the covalent coupling of cRGD to heparin carboxyl groups to form an amide bond, respectively. Due to the fact that this peptide contains both carboxylic acids and primary amine groups within its structure, covalent attachment to polysaccharides by carbodiimide chemistry poses a challenge because of a one-step mechanism of side reactions between the carboxyl groups of the peptides and the amine. Groups of other peptide molecules would produce unwanted aggregation products. In order to avoid these side reactions and to accurately control the amount of the peptide bound to a polysaccharide, the two-stage conjugation method of the present invention was used. Specifically, the stoichiometric coupling of cRGD to heparin was demonstrated by formation of amide bonds between the activated carboxyl groups of heparin and the amino groups of lysine molecules. Standard EDC, Sulfo-N HS chemistry was used with 2-fold excess of crosslinking reagents. The amount of peptide within the heparin-cRGD conjugate proved to be regulatable by the chemistry used.
Das Verfahren wurde wie folgt durchgeführt: 2,71 mg EDC [1 ,75-facher Überschuss] und 1 ,75 mg NHS [1-facher Überschuss (äquimolare Menge)] wurden zu den Lösungen von sowohl 29 mg als auch 19 mg Heparin (3,85 * 1CT4 mmol) in Boratpuffer vom pH 8 hinzugefügt. Das Reaktionsgemisch wurde 20 Minuten lang bei 5 0C gehalten. Als Nächstes wurden 2,5 mg cRGD in Boratpuffer vom pH 8 zu jedem Reaktionsgemisch hinzugefügt, was jeweils dem zweifachen oder dreifachen Überschuss von cRGD entspricht. Das Gesamtvolumen der Reaktionsgemische betrug etwa 100 μl. Die Reaktionen wurden über Nacht bei Raumtemperatur fortgesetzt. Um jegliches unumgesetztes cRGD zu entfernen, wurde das cRGD-Heparin-Produkt durch Dialyse gegen 1 M Natriumchloridlösung gereinigt. Es folgte die dreimalige Dialyse gegen Wasser. Danach wurde das Produkt gefriergetrocknet und es wurden 28 mg, was einer Ausbeute von 88,9 % entspricht, beziehungsweise 18 mg, was einer Ausbeute von 87,2 % entspricht, des amorphen weißen Rückstands erhalten. The procedure was carried out as follows: 2.71 mg EDC [1.75-fold excess] and 1.75 mg NHS [1-fold excess (equimolar amount)] became the solutions of both 29 mg and 19 mg heparin (3.85 * 1CT 4 mmol) in pH 8 borate buffer. The reaction mixture was held at 5 ° C. for 20 minutes. Next, 2.5 mg of cRGD in pH 8 borate buffer was added to each reaction mixture, corresponding to twice or three times the excess of cRGD. The total volume of the reaction mixtures was about 100 μl. The reactions were continued overnight at room temperature. To remove any unreacted cRGD, the cRGD heparin product was purified by dialysis against 1 M sodium chloride solution. This was followed by the triple dialysis against water. Thereafter, the product was freeze-dried, and it was 28 mg, which corresponds to a yield of 88.9%, or 18 mg, which corresponds to a yield of 87.2%, of the amorphous white residue.
Ergebnisse des Ausführungsbeispiels V: Results of Embodiment V:
Der Tyrosin-Aminosäure-Rückstand innerhalb der cRGD-Struktur hat eine charakteristische Absorption bei 274 nm mit einem Extensionskoeffizienten von 1405. Diese Absorption des cRGD-Heparin-Produktes bei 274 nm ermöglicht die Überwachung der Reaktion durch die Hochdruck-Größenausschluss- Chromatographie (HPSEC). Das HPSE-Chromatogramm von Heparin hat gemäß Fig. 8a nur einen Peak bei 17 Minuten, der keine wesentliche Absorption bei 274 nm aufweist. Das cRGD eluiert gemäß Fig. 8b bei 21 Minuten unter den ähnlichen Bedingungen, liefert aber eine relativ starke Absorption bei 274 nm. Die Reaktionsgemische liefern gemäß Fig. 9a jeweils drei Hauptpeaks im HPSE-Chromatogramm bei 17, 19 und 21 Minuten, die im Einzelnen jeweils Heparin (17 Minuten), einem Nebenprodukt niedrigen Molekulargewichts von EDC und NHS (19 Minuten) und unumgesetztem cRGD-Peptid (21 Minuten) zugeordnet werden können. Nach der Reinigung zeigten beide Reaktionsgemische nur einen Hauptpeak im HPSE-Chromatogramm gemäß Fig. 9b mit der Elutionzeit von 17 Minuten an, was dem Chromatogramm von unumgesetztem Heparin ähnlich ist. Im Gegensatz zum Heparin lieferten diese Produkte aber eine stärkere Absorption bei 274 nm, was auf das Vorhandensein von cRGD innerhalb ihrer Strukturen schließen lässt. Die Fig. 10a zeigt ein UV-Vis-Spektrum von unmodifiziertem Heparin, die Fig. 10b ein UV-Vis-Spektrum vom Heparin-c-RGD-Produkt und Fig. 10c ein UV- Vis-Spektrum von c-RGD-Peptid. Der Gehalt an cRGD-Peptid innerhalb des durch cRGD modifizierten Heparins (Heparin-cRGD) wird durch Vergleich der Absorbanz von Lösungen gleicher Molarität von unmodifiziertem Heparin in Fig. 10a einerseits und dem cRGD-Heparin-Produkt gemäß Fig. 10b andererseits bei 274 nm bestimmt. Der Betrag an cRGD-Peptid im Heparin- cRGD-Produkt (Konjugat) wird unter Anwendung des Extinktionskoeffizienten von 1405 bei 274 nm von Tyrosin ermittelt. Durch den Vergleich der berechneten cRGD-Peptid-Molarität und der Gesamtmasse des Heparin- cRGD-Produktes wird der Gehalt des cRGD-Peptids innerhalb des cRGD- Heparin-Produktes bestimmt. The tyrosine amino acid residue within the cRGD structure has a characteristic absorption at 274 nm with an extension coefficient of 1405. This absorption of the cRGD heparin product at 274 nm allows monitoring of the reaction by high pressure size exclusion chromatography (HPSEC). , The HPSE chromatogram of heparin, as shown in Figure 8a, has only one peak at 17 minutes which has no substantial absorption at 274 nm. The cRGD elutes at 21 minutes under similar conditions, as shown in Figure 8b, but gives a relatively strong absorption at 274 nm. The reaction mixtures, as shown in Figure 9a, provide three main peaks in the HPSE chromatogram at 17, 19 and 21 minutes, respectively each can be assigned to heparin (17 minutes), a low molecular weight by-product of EDC and NHS (19 minutes) and unreacted cRGD peptide (21 minutes). After purification, both reaction mixtures showed only one major peak in the HPSE chromatogram according to FIG. 9b with the elution time of 17 minutes, which corresponds to the chromatogram of similar to unreacted heparin. However, unlike heparin, these products provided greater absorption at 274 nm, suggesting the presence of cRGD within their structures. FIG. 10a shows a UV-Vis spectrum of unmodified heparin, FIG. 10b a UV-Vis spectrum of the heparin c-RGD product, and FIG. 10c a UV-Vis spectrum of c-RGD peptide. The content of cRGD peptide within the cRGD modified heparin (heparin cRGD) is determined by comparing the absorbance of equal molarity solutions of unmodified heparin in Fig. 10a on the one hand and the cRGD heparin product of Fig. 10b on the other hand at 274 nm , The amount of cRGD peptide in the heparin cRGD product (conjugate) is determined using the extinction coefficient of 1405 at 274 nm of tyrosine. By comparing the calculated cRGD peptide molarity and the total mass of the heparin cRGD product, the content of the cRGD peptide within the cRGD heparin product is determined.
Beide cRGD-Heparin-Proben, synthetisiert mit zwei- beziehungsweise dreifachem Überschuss des cRGD-Peptids, zeigten eine starke Absorption bei 274 nm. Die Berechnung des cRGD-Gehaltes hat gezeigt, dass beide Proben jeweils etwa ein bis zwei Moleküle cRGD pro Molekül Heparin enthalten. Both cRGD-heparin samples, synthesized with two- or three-fold excess of the cRGD peptide, showed a strong absorption at 274 nm. The calculation of the cRGD content showed that both samples each contain about one or two molecules of cRGD per molecule of heparin ,
LISTE DER ABKÜRZUNGEN LIST OF ABBREVIATIONS
DCC Dicyclohexylcarbodiimid DCC dicyclohexylcarbodiimide
DIC Diisopropylcarbodiimid  DIC diisopropylcarbodiimide
EDC Ethyl-3-(3-Dimethylaminopropyl)-carbodiimid  EDC ethyl 3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
HOAt 1 -Hydroxy-7-aza-Benzotriazol  HOAt 1 -hydroxy-7-aza-benzotriazole
HOBt 1-Hydroxy-benzotriazol (HOBt)  HOBt 1-hydroxybenzotriazole (HOBt)
HPSEC Hochdruck-Größenausschluss-Chromatographie  HPSEC high pressure size exclusion chromatography
NHS Hydroxysuccinimid  NHS hydroxysuccinimide
s-NHS Hydroxysulfosuccinimid s-NHS hydroxysulfosuccinimide
RGD steht für die Aminosäuresequenz Arginin, Glycin und  RGD stands for the amino acid sequence arginine, glycine and
Asparaginsäure  aspartic acid
cRGD zyklisches RGD cRGD cyclic RGD

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Modifikation und Funktionalisierung von Sacchariden, umfassend die Verfahrensschritte: 1. A process for the modification and functionalization of saccharides, comprising the process steps:
a) Aktivierung der Carboxylgruppen der Saccharide durch eine primäre Reaktion der jeweiligen Carboxylgruppe mit einem Carbodiimid oder einem Triazol als Aktivierungsreagenz und eine anschließende Reaktion mit N-Hydroxysuccinimid (NHS) oder einem von dessen Derivaten,  a) activation of the carboxyl groups of the saccharides by a primary reaction of the respective carboxyl group with a carbodiimide or a triazole as activating reagent and a subsequent reaction with N-hydroxysuccinimide (NHS) or one of its derivatives,
b) Reaktion der aktivierten Carboxylgruppen mit primären Aminogruppen von aminfunktionalisierten, optisch oder biologisch aktiven Molekülen unter Ausbildung einer Amidbindung.  b) Reaction of the activated carboxyl groups with primary amino groups of amine-functionalized, optically or biologically active molecules to form an amide bond.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Saccharide Polyglukosaminoglykane, insbesondere Heparin, oder Hyaluronsäure eingesetzt werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that are used as saccharides Polyglukosaminoglykane, in particular heparin, or hyaluronic acid.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Carbodiimid-Aktivierungsreagenzien für die primäre Reaktion des Aktivierungsschritts a) Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimid (EDC), Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) und Diisopropylcarbodiimid (DIC) vorgesehen sind. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that provided as carbodiimide activating reagents for the primary reaction of the activation step a) ethyl 3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), dicyclohexylcarbodiimide (DCC) and diisopropylcarbodiimide (DIC) are.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Triazol-Aktivierungsreagenzien für die primäre Reaktion des Aktivierungsschritts a) 1-Hydroxy-benzotriazol (HOBt) und 1-Hydroxy-7- aza-Benzotriazol (HOAt) vorgesehen sind. 4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as triazole activating reagents for the primary reaction of the activation step a) 1-hydroxy-benzotriazole (HOBt) and 1-hydroxy-7 aza-benzotriazole (HOAt) are provided.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als N-Hydroxysuccinimid-Derivat für die Aktivierung der Carboxylgruppen N-Hydroxysulfosuccinimid (s-NHS) verwendet wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that as N-hydroxysuccinimide derivative for the activation of the carboxyl groups N-hydroxysulfosuccinimide (s-NHS) is used.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aminfunktionelle Molekül ein chromophorer Marker ist, der eine primäre Aminogruppe enthält. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the amine-functional molecule is a chromophoric marker containing a primary amino group.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aminfunktionelle Molekül ein zyklisches RGD-Peptid ist. 7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the amine-functional molecule is a cyclic RGD peptide.
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