Festkörper und Flüssig-NMR biomolekularer Metallkomplexe

Metallionen wie z.B Natrium, Magnesium, Zink oder Cobalt sind wichtige Kofaktoren in Enzymen oder Nukleinsäuren. Die Metallionen spielen hierbei eine bedeutende Rolle in der Strukturgebung sowie während Katalysevorgängen. Neben Platin wird mit einer Vielzahl von anderen Metallen (z.B. Cu, Co, Zn, Ni, Mn oder Erdalkalimetallen) gearbeitet, zum einen aufgrund der jeweiligen biologischen Funktion der Metalle, zum anderen da sie spezielle spektroskopische Methoden erlauben. Das Ziel dieses Projektantrages soll die Beschreibung der Metall-Ligand Wechselwirkungen in porphyrinartigen Verbindungen und RNA/DNA quadruplex/duplex Systemen mit Hilfe von Festkörper- und Flüssig-NMR Methoden sein. Dipolare Wechselwirkungen in Verbindung mit quadrupolaren bzw. paramagnetischen Wechselwirkungen können zur Distanzmessung herangezogen werden. Klassische NOE-Spektroskopie und "through the bond heteronuclear correlation" können zur Messung von Distanzen zwischen spin-1/2 Kernen verwendet werden. Diese Methoden sind aber nur sehr limitiert zur Beschreibung von quadrupolaren Kernen (spin>1/2) oder paramagnetischen Systemen anwendbar. In paramagnetischen Systemen kann die Pseudo-Kontakt Shift, Relaxations Enhancement und die kreuzkorrelierte Curie-Spin Relaxation Strukturinformationen in flüssiger Phase liefern. Bereits erste vielversprechende Resultate zur Beschreibung von Metall-Ligand Wechselwirkungen mittels Festkörper NMR Spektroskopie wurden vom Projektantraeger erzielt. Neue Multiple Quantum Magic Angle Spinning Recoupling (MQMAS-REDOR) Techniken ermöglichen nun im Festkoerper Distanzen zwischen Metallionen mit quadrupolarem Spin (spin>1/2, e.g. 23Na, 25Mg, 67Zn, 51V, 59Co) zu Spin-1/2 Kernen ( 1 H, 15N, 31P, 13C) in größeren, biologisch interessanten Verbindungsklassen, zu messen. Die unterschiedlichen Bindungsstellen der Metallionen soll zusätzlich mit der bereits sehr gut bekannten Multiple Quantum Coherence Spectroscopy (MQMAS) im Festkörper durchgeführt werden. Zusätzlich sollen Konformationsuntersuchungen an RNA bzw. DNA-quadruplex/duplex Systemen, anhand der Änderung der Chemical Shift Anistropy (CSA), durchgeführt werden. Kooperationen werden im Rahmen dieses Projektantrages mit dem Chemistry Department an der New York University und dem New York Structural Biology Center angestrebt. Weiters wird eine neue Kooperation zum "Department of Molecular Biology" an der "Unversity of South Bohemia" in Budweis aufgebaut, um in Zusammenarbeit die RNA bzw. DNA quadruplex/duplex Syteme darzustellen. Die für das Projekt weiters notwendigen prophyrinoiden Systeme werden an der Johannes Kepler Unversität Linz synthetisiert. Ab-initio Rechnungen werden an der Johannes Kepler Universität Linz durchgeführt, um die berechneten mit den experimentellen Parameter zu vergleichen.

In Bezug auf ihre funktionellen Eigenschaften lassen sich Porphyrine in zwei Gruppen einteilen. Die erste Gruppe zeichnet sich dadurch aus, dass die Substanzen auf Grund ihres Porphyrin Grundgerüsts bevorzugt in Tumorzellen aufgenommen werden ohne dass eine vorherige Aktivierung des entsprechenden Porphyrins stattfinden muss. Durch die Interaktion mit nukleärer DNA der Tumorzelle wird programmierter Zelltod induziert, was zu einer Inhibierung des Tumorzellwachstums führt. Neben dem apoptotischen Zelltod der mit der Aktivierung von proteolytischen Enzymen, den Caspasen, einhergeht, sind eine Reihe alternativer Formen des caspase- unabhängigen programmierten Zelltods wie Paraptose oder Autophagie bekannt. An der Ausführung des Zelltodprogramms sind verschiedene Organellen, wie z.B. die Mitochondrien, Lysosomen und das Endoplasmatische Reticulum beteiligt. Durch das Einfügen verschiedenartiger meso- Substituenten kann sowohl das Eindringen, als auch die Lokalisation der Porphyrine in den Tumorzellen beeinflusst werden. Zur zweiten Substanzklasse gehören Photosensibilisatoren, welche in der Photodynamischen Therapie (PDT) eingesetzt werden. In der klinischen Onkologie wird die PDT seit über 25 Jahren eingesetzt. Nach Aktivierung durch Licht passender Wellenlänge setzen diese Photosensibilisatoren reaktive Sauerstoffspezies frei die in der Folge Tumorgewebe zerstören. Die Applikation des Photosensibilisators ist üblicherweise systemisch, durch die präzise Aktivierung mittels Bestrahlung kann man allerdings eher von einer lokalen Anwendung sprechen. Obwohl sich einige Substanzen in der klinischen Praxis im Einsatz befinden, gibt es nur wenige Porphyrine, die vollständig wasserlöslich sind und eine Anregungswellenlänge nahe dem infraroten Wellenlängenbereich besitzen. Hauptziel des vorliegenden Projekts ist die Weiterentwicklung und Charakterisierung neuartiger wasserlöslicher Porphyrin- und Corrol- Komplexe und die detaillierte Untersuchung der Wirkungsweise auf neuroendokrine Tumore und Melanome. Im Projekt (FWF-P18384; "Festkörper und Flüssig- NMR biomolekularer Metallkomplexe) wurden Porphyrinderivate synthetisiert, charakterisiert und deren Interaktionen mit DNA mittels Kernresonanzspektroskopie (NMR) und Circulardichroismus Spektroskopie (CD) bestimmt. Die wachstumshemmende Wirkung auf Dünndarmkarzinom Zelllinien (neuroendokrine SI-NET) und Schilddrüsenkarzinom Zelllinien (MTC-SK) wurde untersucht und in ersten Versuchen konnten selektive antiproliferative Effekte an den entsprechenden Zelllinien nachgewiesen werden. Jedoch ist noch wenig darüber bekannt, welche Porphyrin induzierten Mechanismen zu einer Aktivierung eines spezifischen Zelltodprogramms führen. Die Wirkmechanismen der verschiedenen Porphyrine auf SI-NET- und MTC-Zelllinien bzw. maligne Tumore müssen deshalb noch näher untersucht werden. Die Ergebnisse wurden zuerst in einem Patent zusammengefasst und als Europäisches Patent angemeldet (EP- 09003727-6-2117): Erfinder: Martin Haeubl, Bernhard Svejda, Roswitha Pfragner, Norbert Mueller, Wolfgang Schoefberger). Danach wurde die Arbeit mit dem Titel "Asymmetrically substituted cationic indole- and fluorene porphyrins inhibit tumor proliferation in small intestinal neuroendocrine tumors and medullary thyroid carcinomas" erfolgreich im European Journal of Medicinal Chemistry publiziert. Weiters wurde die Arbeit mit dem Titel "DNA- Interactions and Photocatalytic Strand Cleavage by Artificial Nucleases based on Water-Soluble Gold(III) Porphyrins" in der Fachzeitschrift Journal of Biological Inorganic Chemistry publiziert. Resultierend aus der sehr erfolgreichen Zusammenarbeit mit Frau Prof. Dr. Roswitha Pfragner (MedUni Graz) wurde ein FWF- Folgeprojektantrag verfasst und wird im April 2011 neu eingereicht. In Kooperation mit Dr. Stefan Müllegger vom Institut der Festkörperphysik an der JKU-Linz wurden "Scanning Tunneling Microscopy" (STM) Untersuchungen und quantenmechanische Rechnungen durchgeführt um mechanistische Details der Reaktivität der Goldporphyrine zu klären. Aus dieser Arbeit entstanden Publikationen mit dem Titel "Spectroscopic STM Studies of Single Gold(III) Porphyrin Molecules" und "Asymmetric saddling of single porphyrin molecules on Au(111)" und wurden in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society und Physical Review B veröffentlicht.