Deutsch: Die vorliegende Arbeit beinhaltet die kombinatorische Synthese sowie biomedizinische Aspekte von neuen, lipophilisierten Nucleosiden (Nucleolipiden) als small molecules. Für die Synthesen wurden sowohl Nucleosid-Metabolite als auch -Antimetabolite lipophilisiert. Als Lipidreste wurden natürlich vorkommende Verbindungen, wie azyklische Terpene und (a)symmetrische Ketone verwendet. Diese wurden am O-2‘,3‘-cis-glycosidischen Rest oder an der N(3)-Position von β-D-Pyrimidinen oder an der N(1)-Position von β-D-Purinen eingeführt. Die Einführung der Reste erfolgte durch Ketalisierung der glyconischen Hydroxylgruppen oder durch direkte Alkylierung sowie durch Dimroth-Umlagerung des Aglycons. Zusätzlich wurden in weiteren Reaktionen ausgewählte Nucleolipide in 2-(Cyanoethyl)phosphoramidit für die automatische DNA-Festphasensynthese von Oligo-nucleotiden umgewandelt. Diese wurden für eine Reihe von Penetrationsversuchen hinsichtlich ihres Einlagerungs-und Penetrationsverhaltens in eine künstliche Lipidmembran untersucht und untereinander verglichen. Die synthetisierten Nucleolipide wurden NMR-spektroskopisch im Hinblick auf die strukturellen Parameter (1) Zuckerpucker (3’T2‘⇌3’T2‘) und (2) die Konformation um die exozyklische C(4‘)-C(5‘)-Bindung (γ+(g)⇌γt⇌γ-(g)) charakterisiert. Außerdem wurden die Nucleolipide hinsichtlich ihrer biologischen Aktivität in in vitro-Tests auf humane, differenzierte THP-1-Makrophagen bezüglich des Immunoeffekts und auf eine Rattengliom- sowie einer humanen Gliom-Zellline bezüglich der Antitumoraktivität getestet. English: The thesis comprises the combinatorial synthesis and biomedicinal aspects of novel lipophilized nucleosides (Nucleolipids) as small molecules. Nucleoside-metabolites, as well as -antimetabolites, were used for the lipophilization. The chemical structure of the lipid residues resembles naturally-occurring compounds, namely acyclic terpenes, and (a)symmetric ketones. They are positioned either at the O-2’,3’-cis-glyconic moiety or at the N(3) of β-D-pyrimidines or N(1) of β-D-purines. The introduction of the lipophilic residues was performed either by ketalization of the glyconic hydroxyls or by direct alkylation as well as by Dimroth rearrangement at the N-alkylated aglycone. Additionally, selected nucleolipids were further converted to 2-(cyanoethyl) phosphoramidites as building blocks for automated solid phase nucleic acid synthesis. The latters were used for the preparation of a series of lipo-oligonucleotides which were studied with respect to their immobilization within artificial lipid bilayers and compared concerning immobilization rate and stability. The resulting nucleolipids were characterized with respect to the structural parameters (1) the sugar pucker (3’T2‘⇌3’T2‘) as well as (2) the conformation around the exocyclic C(4’)-C(5’)-bond (γ+(g)⇌γt⇌γ-(g)) by 1H-NMR-spectroscopy. Moreover, the biological activity of the nucleolipids was tested in-vitro on human, differentiated THP-1-macrophages for the immunoeffect and towards the rat gliom cell line BT4Ca as well as a human gliom (GOS-3) for anticancer activity.

Ausgangspunkt dieser vorliegenden Arbeit waren bisherige Untersuchungen unseres Arbeitskreises zum Memb-ranverankerungsverhalten (Phospholipidmembranen, LUV) von Nukleosiden und Oligonukleotiden, welche einen lipophilen Anker an der 5-Position der Pyrimidin- oder an der 8-Position der Purinbase tragen. Diese Nukleolipide ankern gut in der Membran, stehen aber nicht mehr für eine Watson-Crick-Basenpaarung an der Phasengrenzfläche zu Verfügung. Demnach wurde durch die Verwendung unterschiedlicher Reaktionen (Veresterung, Thioetherbildung, Carbamoylverknüpfung oder „Clickreaktion“ zu Triazolen) und verschiedener funktioneller Gruppen (Hydroxy, Thiohydroxy, Azid, Amin) an die 2´-Position der Nukleoside eine Reihe von lipophilen Resten (Alkylketten, Cholesterol, Pyren) eingeführt. Diese Konjugate verankerten ebenfalls gut in den Membranen und es zeigten sich erste Hinweise, dass durch die Einführung eines Spacers zwischen dem Nukleosid und dem lipophilen Anker, eine Basenpaarung an der Phasengrenzfläche möglich ist. Weiterhin zeigte es sich, dass Nukleolipide mit nur einem lipophilen Rest nicht stabil in Membranen verankern, vor allem, wenn dieser nicht verzweigt ist. Bei der Anwendung von Oligonukleotiden zum Ankern in Membranen ist es unbedeu-tend, an welcher Stelle der lipophile Rest am Nukleotid vorkommt, denn zum einen geht das entsprechende Nukleolipid selbst keine Basenpaarung ein und zum anderen erfolgt keine Basenpaarung über dieses hinweg. Für biotechnologische Anwendungen konnte mit Hilfe dieser synthetisierten lipophilen Oligonukleotide gezeigt werden, dass zwei vesikelmembranverankerte Oligonukleotide, welche komplementäre Enden tragen, eine Doppelhelix miteinander bilden und so diese beiden Vesikel auf einen definierten Abstand halten können. Da Nukleolipide einen amphiphilen Charakter aufweisen, sollte unter dem AFM untersucht werden, ob diese supramolekulare Strukturen zeigen. Dies wurde in der Tat auch beobachtet. Ebenso konnten mittels der LB-Technik LB-Schichten aus Nukleolipiden dargestellt werden. / The starting point of this work was found in our previous studies about anchoring behaviour of lipidated nucleo-sides and oligonucleotides in biocompatible phospholipid membranes (LUV). That nucleosides and oligonucleotides bear a lipophilic anchor at the 5-position of pyrimidine or at the 8-position of purinbases. This nucleolipi-des anchor well in such membranes, but were not longer available for a Watson-Crick base pairing at the interface to water. Therefore lipophilic groups (alkyl chain, cholesterol, Pyren etc.) were now connected to the 2''-position of nucleosides by several reactions (esterification, thioether binding, carbamoyl binding or "click reaction") and various functional groups (hydroxy, thiohydroxy, azide, amine) to the 2´-position of nucleosides. These nucleolipides also well anchored in the model membranes, and gave first evidence that by introducing a spacer between the nucleoside and the lipophilic anchor a base pairing at the interface to water is possible. However, only one anchor is not sufficient for a stable anchoring in the phospholipid membranes, especially if they are not branched. It was found out that it is insignifacant for the application of oligonucleotides in membrane anchoring, at which position of nucleotide the lipid is attached, because on the one hand, the corresponding nucleolipid can not form a pair with a corresponding nucleobase and secondly, there is no base pairing in the nucleotides situated between two lipidated positions. For biotechnology applications it might be interesting that two different vesicles each of it furnushed with a complementary lipidated oligonucleotide could be kept together in a defined distance by forming double strand DNA. Since nucleolipide possess amphiphilic character, there abillity to form supramolecular structures was investigated by atomic force microscope (AFM). In addition formation of LB-layers could be achieved by LB-technology.

Ziel der vorgestellten Arbeit war die Synthese von Nucleolipiden zur Lipophilisierung von Oligonucleotiden sowie deren Untersuchung im Hinblick auf ihre Wechselwirkung und Duplex-Bildung an horizontalen Lipidmembranen und verschiedenen Phasengrenzen zur Entwicklung eines neuartigen Bio-Chips für die RNA/DNA-Analyse. Mit der Synthese N(3)-prenylierter und 2’,3’-O-ketalisierter Pyrimidinbasen Uridin und Methyluridin wurden Nucleolipid-Bausteine dargestellt, die auch als terminale Kopfgruppen eines Oligonucleotid-Dodecamers den lipophilen Charakter dieser Oligonucleotid-Sequenz erhöhten. Für den Einsatz solcher LONs (Lipo-Oligonucleotide) in einer vereinfachten RNA/DNA-Analytik wurde eine Vielzahl von Lipo-Oligonucleotiden mit diversen Nucleolipid-Kopfgruppen synthetisiert und auf ihr Einlagerungsverhalten in künstliche Lipid-Bilayer untersucht. Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchungen zeigten, dass alle Lipo-Oligonucleotide in der Lage sind, sich in künstliche Lipid-Bilayer einzulagern. Abhängig von der Struktur, der Länge und der Anzahl der C-Atom-Ketten dieser lipophilen Anker-Bausteine wurden die Geschwindigkeit und die Festigkeit der Verankerung im Lipid-Bilayer beeinflusst. Des Weiteren wurde die Hybridisierung von LONs mit komplementären Oligomeren an Lipidmembranen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die im Bilayer verankerten Lipo-Oligonucleotide mit komplementären Oligomeren DNA-Duplexe bilden. Die hybridisierte DNA wurde nicht nur über einen kovalent gebundenen Cy5-Fluorophor am Gegenstrang nachgewiesen, sondern auch über den DNA-Interkalator SYBR Green I (SG). Am Beispiel von zwei Lipo-Oligonucleotiden (LON 20 und 23), die sich schnell und fest in der Bilayermembran verankern, konnte eine spontane Akkumulation dieser LONs an CHCl3/H2O sowie H2O/n-Decan Grenzflächen direkt nach der Probenzugabe beobachtet werden. Diese und andere Ergebnisse stützen den Einsatz von Lipo-Oligonucleotiden als Ziel-Oligomere in einem neuartigen RNA/DNA-Nachweisverfahren an Phasengrenzen.