In dieser Arbeit wird ein durch eine passive Matrix angesteuertes Sensorarray vorgestellt. Das Sensorarray besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Leiterplatten mit jeweils vier Leiterbahnen, die als Arbeits- und Gegenelektroden verwendet werden. Die Leiterbahnen kreuzen sich in einem Winkel von 90°, wobei an jedem Kreuzungspunkt ein Sensorelement gebildet wird. Ein selektives Auslesen der Sensorelemente wird durch eine mechanische oder auf Kapillarkräften basierenden Unterteilung des Elektrolyten sowie eine spezielle elektrotechnische Auslesemethode erreicht. Durch die Verwendung einer aus Preußisch Blau bestehenden kombinierten Gegen- und Referenzelektrode können in dem Zwei Elektrodensystem Bedingungen, die denen eines Drei Elektrodensystems sehr nahe kommen, realisiert werden.Mit diesem einfach aufzubauenden Sensorarray konnte die Lücke zwischen den, in der Größe limitierten Sensoren mit Einzeladressierung und den wesentlich aufwändigeren, aber eine hohe Packungsdichte aufweisenden CMOS Sensoren geschlossen werden. Die Funktionalität dieses Sensorarrays wurde anhand von zwei unterschiedlichen Anwendungsbeispielen aus dem Bereich der Kombinatorischen Chemie unter Beweis gestellt.

Durch parallele SPOT-Synthese wurden trisamino- und amino-oxo-substituierte [1,3,5]-Triazine auf Zellulose- und Polypropylenmembranen dargestellt. Neben der Entwicklung geeigneter Linkerstrategien und dem Einsatz von Aminen und Phenolaten als Bausteine konnte eine Mikrowellenbestrahlung für die Substitution an den membrangebundenen Monochlor-[1,3,5]-triazinen nutzbar gemacht werden. Der Einsatz von gasförmiger TFA zur Abspaltung der Syntheseprodukte von den planaren Oberflächen erlaubte den Erhalt der örtlichen Adressierbarkeit der Verbindungen für Analyse und Screening. Zusätzlich wurde ein neues Konzept für die Synthese von makrocyclischen Peptidmimetika entwickelt. Diese Methode bedient sich der sequenziellen SNAr-Reaktion von ursprünglich orthogonal geschützten Aminogruppen eines Peptides und anderer linearer Oligomere an halogenierten Heteroaromaten wie 2,4,6-Trichloro-[1,3,5]-triazin, 2,4,6-Trichloropyrimidin, 4,6-Dichloro-5-nitropyrimidin und 2,6,8-Trichloro-7-methyl-7H-purin. Die Möglichkeiten dieses neuen Zugangs zu Makrocyclen wurde systematisch mittels SPOT-Synthese untersucht. So wurden Fragen wie zugängliche Ringgrössen, Kompatibilität mit Aminosäuren, Cyclisierungsrichtungen und Verwendung von unterschiedlichen linearen Oligomeren adressiert. Es stellte sich heraus, dass eine Reihe von Peptidmimetika mit unterschiedlichen Ringgrössen (11- bis 37-gliedrige Ringe) und verschiedenen chemischen Strukturen des Rückgrades erhalten werden können. Die erhaltenden [1,3,5]-Triazin-Bibliotheken wurden sowohl in einem Festphasen-Screening als auch in einem Assay in Lösung eingesetzt. Es gelang, de novo Bindungspartner für den monoklonalen Antikörper TAB-2 aus einer Bibliothek aus 8000-zellulosegebundenen [1,3,5]-Triazinen zu finden und neuartige cyclische Peptid-Triazinderivate als Agonisten für einen Somatostatinrezeptor zu entwickeln. / Effective spatially addressed parallel assembly of trisamino- and amino-oxy-1,3,5-triazines was achieved by applying the SPOT-synthesis technique on cellulose and polypropylene membranes. In addition to developing a suitable linker strategy and employing amines and phenolate ions as building blocks, a highly effective microwave assisted nucleophilic substitution procedure at membrane-bound monochlorotriazines was developed. The 1,3,5-triazines obtained could be cleaved in parallel from the solid support by TFA-vapor to give compounds adsorbed on the membrane surface in a conserved spatially addressed format for analysis and screening. A novel concept for the synthesis of macrocyclic peptidomimetics which incorporate heteroaromatic units was developed. The method involves sequential SNAr reactions of former orthogonally protected amino groups of peptides and other linear oligomers on halo-genated heterocycles such as 2,4,6-trichloro-[1,3,5]-triazine, 2,4,6-trichloropyrimidine, 4,6-dichloro-5-nitropyrimidine and 2,6,8-trichloro-7-methyl-7H-purine. The scope of this novel solid phase approach was systematically evaluated by means of the SPOT-synthesis metho-dology. Besides the question of the accessibility of different ring sizes and the compatibility with protecting groups of commonly used amino acids, cyclization direction and the applicability of the technique towards peptidomimetics was studied. It was found that the procedure is well suited to assemble a wide variety of cyclic peptidomimetics differing in both size (11 to 37-membered rings) and chemical nature of the assembled backbones. The obtained [1,3,5]-triazine libraries were subjected to heterogeneous and homogeneous screening assays. De novo binding partners for the monoclonal antibody Tab2 were detected from a 8000-membered library of cellulose-bound 1,3,5-trazines. In addition novel cyclic peptide-triazine derivatives were identified as agonists for a somatostatin receptor.

The fast development of DNA-encoded chemical libraries (DECL) in the past 10 years has received great attention from pharmaceutical industries. It applies the selection approach for small molecular drug discovery. Because of the limited choices of DNA-compatible chemical reactions, most DNA-encoded chemical libraries have a narrow structural diversity and low synthetic yield. There is also a poor correlation between the ranking of compounds resulted from analyzing the sequencing data and the affinity measured through biochemical assays. By combining DECL with dynamical chemical library, the resulting DNA-encoded dynamic library (EDCCL) explores the thermodynamic equilibrium of reversible reactions as well as the advantages of DNA encoded compounds for manipulation/detection, thus leads to enhanced signal-to-noise ratio of the selection process and higher library quality. However, the library dynamics are caused by the weak interactions between the DNA strands, which also result in relatively low affinity of the bidentate interaction, as compared to a stable DNA duplex. To take advantage of both stably assembled dual-pharmacophore libraries and EDCCLs, we extended the concept of EDCCLs to heat-induced EDCCLs (hi-EDCCLs), in which the heat-induced recombination process of stable DNA duplexes and affinity capture are carried out separately. To replace the extremely laborious and repetitive manual process, a fully automated device will facilitate the use of DECL in drug discovery. Herein we describe a novel lab-on-a-chip platform for high throughput drug discovery with hi-EDCCL. A microfluidic system with integrated actuation was designed which is able to provide a continuous sample circulation by reducing the volume to a minimum. It consists of a cooled and a heated chamber for constant circulation. The system is capable to generate stable temperatures above 75 °C in the heated chamber to melt the double strands of the DNA and less than 15 °C in the cooled chamber, to reanneal the shuffled library. In the binding chamber (the cooled chamber) specific retaining structures are integrated. These hold back beads functionalized with the target protein, while the chamber is continuously flushed with library molecules. Afterwards the whole system can be flushed with buffer to wash out unspecific bound molecules. Finally the protein-loaded beads with attached molecules can be eluted for further investigation

Die SPOT-Synthese an Zellulosemembranen wurde 1992 als eine hocheffiziente Methode zur parallelen Synthese von Peptiden beschrieben. Die wichtigste Anwendung der so synthetisierten Verbindungen ist das direkte Festphasen-Screening. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, das Anwendungsgebiet der SPOT-Methode von Peptiden auf verschiedene Peptidmimetika auszudehnen und durch Screening entsprechender Bibliotheken bioaktive Substanzen zu identifizieren. (1) Peptoid-Synthese an Zellulosemembranen Die Ähnlichkeit von Oligo-N-alkylglycinen (Peptoiden) zu Peptiden sowie die Vereinbarkeit ihrer Synthese mit den Bedingungen der SPOT-Technik ließen sie als besonders geeignete Kandidaten für eine Erweiterung der SPOT-Synthese von Peptiden auf Peptidmimetika erscheinen. Die Peptoide wurden nach der 1992 für die Synthese am Harz beschriebenen Sub-Monomer-Methode synthetisiert, bei der die N-Alkylglycin-Monomere zweistufig durch Bromacetylierung und nachfolgende Bromsubstitution durch ein primäres Amin aufgebaut werden. Die Kernaufgabe bei der Anpassung der Synthesebedingungen an Zellulosemembranen war dabei die Entwicklung einer N/O-selektiven Bromacetylierungsmethode, da die Anwesenheit freier Membran-Hydroxyfunktionalitäten ein Reagenz erfordert, welches eine N-Acylierung in Anwesenheit von O-Nukleophilen zuläßt. Durch Untersuchung mehrerer Aktivester der Bromessigsäure konnte gezeigt werden, daß der kristalline Bromessigsäure-2,4-dinitrophenylester im Hinblick auf Ausbeute und N/O-Selektivität optimale Eigenschaften besitzt. Im Anschluß an die Bromacetylierungsmittel wurden 46 primäre Amine auf ihre Anwendbarkeit bei der Synthese von Modell-Tripeptoiden untersucht. Aus den Ergebnissen konnten Gesetzmäßigkeiten abgeleitet werden, die eine Abschätzung der Verwendbarkeit von Aminen für die Peptoidsynthese im Hinblick auf Flüchtigkeit, sterischen Anspruch, Nukleophilie des Stickstoffatoms sowie vorhandene funktionelle Gruppen in Seitenketten ermöglichen. (2) Synthese und Screening von Peptoid-Bibliotheken Unter den optimierten Synthesebedingungen wurden zwei Bibliotheken mit jeweils 8000 Tri- bzw. Hexapeptoiden synthetisiert. Die Trimeren-Bibliothek beinhaltete dabei den gesamten Sequenzraum basierend auf 20 Bausteinen, während die Verbindungen der Hexameren-Bibliothek aus einem wesentlich größeren, auf 40 Bausteinen basierenden Sequenzraum statistisch ausgewählt wurden. Um zu überprüfen, ob sich die Bibliotheken zur "de novo" Auffindung von Protein-Liganden eignen, wurden sie auf Bindung zum monoklonalen Antikörper Tab-2 untersucht. Es konnten in beiden Fällen bioaktive Oligomere identifiziert werden (Trimere: KD >= 87 µM, Hexamere: KD >= 2.7 µM), die sich vom Peptid-Epitop des Antikörpers [VVSHFND] deutlich unterschieden. (3) Rückgratmodifizierte Peptoide Mit dem Ziel, Rückgratmodifikationen in Peptoide einzufügen, wurden neun Biselektrophile im Rahmen eines "chemischen Screenings" zur Synthese eines Modell-Trimers verwendet. Vier der Bausteine waren geeignet und ermöglichten damit die Einführung von beta-Peptoid-, m- und p-Aminomethylbenzoesäure- sowie Carbamat-Einheiten in Peptoide. Beim Versuch, in analoger Weise auch Harnstoffe zugänglich zu machen, wurde unter den Linker-Spaltungsbedingungen eine Cyclisierung zu Hydantoinen beobachtet. Diese interessante Reaktion wurde näher untersucht, um die SPOT-Methode auf die Synthese von Hydantoinen als heterocyclische Struktur zu erweitern. (4) Synthese von Hydantoinen an Zellulosemembranen Die Bildung von Hydantoinen in einer Cyclisierungsreaktion, bei der Ammoniak aus einem Amid freigesetzt wird, wurde an fester Phase noch nicht genutzt, während dieser Reaktionstyp in Lösung bereits intensiv untersucht wurde. Durch eine Optimierung der Cyclisierungsbedingungen ließ sich die zunächst unvollständige Reaktion zur Vollständigkeit bringen. Auch C-substituierte Hydantoine konnten durch Verwendung von alpha-Aminosäureamiden bzw. -tert.-butylestern enantiomerenrein zugänglich gemacht werden. / SPOT-synthesis on cellulose membranes was introduced as a highly efficient method for the parallel synthesis of peptides in 1992. The most important applications of libraries synthesized by SPOT-synthesis are solid phase binding assays. Within this work the extension of the SPOT-method to the synthesis of various peptidomimetics and the identification of bioactive substances by screening of corresponding libraries is described. (1) peptoid synthesis on cellulose membranes The similarity of oligo-N-alkylglycines (peptoids) and peptides as well as the compatibility of their synthesis with the conditions of the SPOT-technique made them ideally suited for the extension of the SPOT-synthesis from peptides to peptidomimetics. The peptoids were synthesized by the sub-monomer approach originally developed for the synthesis on standard resins in 1992. N-alkylglycine monomers are hereby synthesized in a stepwise manner by bromoacetylation and subsequent substitution of the bromine atom by a primary amine. The most critical point in the adaptation of the synthesis conditions was the development of an N/O-selective reagent for bromoacetylation due to the presence of free hydroxyl functionalities of the membrane support requiring a reagent suitable for N-acylation in the presence of O-nucleophiles. Several active esters of bromoacetic acid were synthesized and tested whereby crystalline 2,4-dinitrophenylbromoacetate gave the best results with respect to yield and N/O-selectivity. After optimization of bromoacetylation 46 primary amines were applied to the synthesis of model tripeptoids. Rules for the applicability of amines in peptoid synthesis with respect to volatility, sterical demand, nucleophilicity of the nitrogen atom and compatibility with sidechain functional groups were derived from the results. (2) synthesis and screening of peptoid libraries Two libraries consisting of 8000 tri- and hexapeptoids respectively were synthesized under optimized conditions. The library of trimers displayed the entire sequence space based on 20 building blocks, whereas the sequences of the hexamers were selected statistically from the sequence space based on 40 building blocks. In order to examine the suitability of the libraries for the "de novo" identification of protein ligands they were screened for binding to the monoclonal antibody Tab-2. Bioactive peptoids could be identified in both cases (trimers: KD >= 87 µM, hexamers: KD >= 2.7 µM) both differing significantly from the peptide epitope [VVSHFND]. (3) backbone modified peptoids In order to introduce backbone modifications into peptoids nine biselectrophiles were applied in the synthesis of model trimers in a chemical screening. Four of the building blocks were well suited allowing the incorporation of beta-peptoid, m- and p-aminomethylbenzoic acid and carbamate units into peptoids. When the introduction of urea-units in a similar approach was attempted hydantoins were formed during cleavage from the solid support. This interesting reaction was examined in detail in order to extend SPOT-synthesis to the synthesis of heterocycles. (4) synthesis of hydantoins on cellulose membranes The formation of hydantoins from terminal amides was not yet described in a solid phase synthesis, whereas it was examined intensively in solution. By optimizing the conditions of cyclization the reaction could be driven to completion. C-substituted hydantoins were obtained as single enantiomers, when alpha-amino acid-amides or -tert. butylesters were used in the synthesis.