Die mangelnde Wasserlöslichkeit von Wirkstoffen ist eines der größten Probleme in der pharmazeutischen Medikamentenentwicklung, welches durch das Scheitern zahlloser vielversprechender Leitstrukturen immense Kosten verursacht. Es wird eine Methode vorgestellt, um spezifische Löslichkeitsvermittler für schwerlösliche, niedermolekulare Verbindungen zu entwickeln. Dafür wurden Partner für die nichtkovalente Bindung von Wirkstoffen aus Peptidbibliotheken identifiziert. Als Testsubstanzen wurden Sensibilisatoren für die photodynamische Krebstherapie gewählt. Über die Fluoreszenz der Photosensibilisatoren konnte die Anreicherung an Polymerpartikeln verfolgt werden, deren Peptidsequenzen eine hohe Affinität zu den Wirkstoffen besaßen. Positive Treffer wurden isoliert und deren Aminosäuresequenz mittels Tandem-Massenspektrometrie bestimmt. Diese Informationen wurden verwendet, um Löslichkeitsvermittler für die Sensibilisatoren zu synthetisieren. Dafür wurden die Sequenzen an einen hydrophilen Polyethylenoxid-Block (PEO) konjugiert, wobei das Peptidsegment die Bindung des Gastmoleküls vermittelt, während der Polymerblock die Wasserlöslichkeit des Komplexes garantiert. Mit diesen Konjugaten wurden die Sensibilisatoren erfolgreich in wässrige Lösung gebracht. Die Eigenschaften der Solubilisatoren bezüglich Beladungsgrad, Aggregation und Freisetzung der Gastmoleküle wurde untersucht, sowie die Aktivität der solubilisierten Sensibilisatoren bezüglich der Erzeugung von Singulett-Sauerstoff. Die Anpassung der Screening-Bedingungen, der Konjugat-Architektur und den Einbau eines schaltbaren Bausteins erlaubte die zusätzlich Feinjustierung. Durch einen Vergleich der verschiedenen Sensibilisatoren wurde die Sensibilität der Methode für strukturelle Unterschiede der Testsubstanzen und die Spezifität der gewonnenen Solubilisatoren für ihr Zielmolekül überprüft. Zuletzt wurden die Aufnahme und der Aufnahmemechanismus der solubilisierten Sensibilisatoren in Krebszellen studiert. / Insufficient water solubility of small molecule compounds is one of the major issues in pharmaceutical drug development causing tremendous costs due to failure of numerous high potential lead structures. Herein, a generic method to develop specific solubilizers for insoluble, small molecules is presented. Suitable binding partners for a set of sensitizers for photodynamic cancer therapy (m THPC, Pheophorbide A und Chlorin E6) were selected from a split&mix peptide library. The enrichment of sensitizer molecules at high affinity peptide sequences was followed by monitoring their intrinsic fluorescence via fluorescence microscopy. Positive hits were isolated and amino acid sequences were identified by tandem mass spectrometry (MALDI-Tof-MS/MS). The information gained about the requirement for non-covalent binding on a molecular level was used to synthesize specific solubilizers for small molecule drug entities. Therefore, identified peptide sequences were conjugated to a polyethylene oxide block to obtain water solubility, whereas peptide segments provide non-covalent binding of drug molecules. Insoluble photosensitizers were successfully rendered water soluble by peptide-PEO conjugates. Key parameters like drug payload capacity, aggregation behavior and guest molecule release, as well as activity regarding singlet oxygen generation, were studied. By adaptation and variation of screening conditions, conjugate architecture and incorporation of a switchable building block, properties of conjugate solubilizers were fine-tuned further. To evaluate screening sensitivity towards structural aspects of screened small molecules and specify of resulting solubilizers, screening results of different sensitizers and peptide-PEO solubilizers performance were compared. Finally, cellular uptake of solubilized photosensitizer in cancer cells and uptake pathways was studied in vitro using confocal laser-scanning microscopy and fluorescence lifetime imaging.

In der Alzheimer-Forschung (engl.: Alzheimer Disease, AD) wird immenser Aufwand zur Entwicklung von den Krankheitsverlauf verändernden Medikamenten betrieben. Studien zeigten, dass die abnormale Aggregation des Tau-Proteins offenbar zum Zusammenbruch der Zellkommunikation führt. Niedermolekulare Substanzen, die die Tau-Protein-Aggregation inhibieren und sogar bereits gebildete Aggregate wieder auflösen können wurden entwickelt, sind jedoch oft aufgrund von schlechten Wasserlöslichkeiten nur unter Zusatz von Dimethylsulfoxid (DMSO) in Biotests einsetzbar. Durch das Design maßgeschneiderter Peptid-Polyethylenglykol (PEG)-Konjugate war die spezifische Bindung und anschließende Freisetzung ausgewählter potentieller anti-AD-Wirkstoffe in DMSO-freien Biotests möglich. Für den Entwurf der Wirkstoff-Transporter wurden Peptidbibliotheken mit Raman- und Fluoreszenz-Mikroskopie-basierten Methoden hinsichtlich der Anreicherung der Wirkstoffe an Peptiden mit hoher Wirkstoff-Bindekapazität getestet. Mithilfe von Matrix-unterstützter Laser-Desorption/Ionisation (MALDI)-Massenspektrometrie (MS/MS)-Fragmentierung konnten die Peptidsequenzen der positiven Treffer identifiziert werden. Die zugehörigen Konjugate wurden synthetisiert, mit den Wirkstoffen beladen und die entstehenden sehr gut wasserlöslichen Wirkstoff-Konjugat-Komplexe analysiert. Für biomedizinische Anwendungen sind kompakte und definierte Systeme von Vorteil. Zur Strukturaufklärung der Wirkstoff-Konjugat-Komplexe konnten zahlreiche Untersuchungen erfolgreich durchgeführt werden. Viele Komplexe wurden zudem in DMSO-freien Biotests der Tau-Protein-Aggregation eingesetzt. Die Bioverfügbarkeit der schwerlöslichen anti-AD-Wirkstoffe konnte durch die Solubilisierung mit maßgeschneiderten Peptid-PEG-Konjugaten enorm verbessert werden. Die auf Raman-aktive Substanzen erweiterte Screeningprozedur kann wahrscheinlich auf eine Großzahl von Wirkstoffen mit ungünstigen pharmakologischen Eigenschaften angewendet werden. / Considerable efforts are devoted in Alzheimer Disease (AD) research to develop disease modifying drugs. Various studies have demonstrated that abnormal aggregation of Tau protein probably interrupts communication between cells. Tau protein aggregation can be inhibited and even preformed aggregates can be redissolved by small-molecule compounds. Unfortunately, these molecules often can only be applied in limited biotests using dimethyl sulfoxide (DMSO) as co-solvent due to their poor water solubility and bioavailability. The solubilization of selected potential anti-AD drugs by tailored peptide-poly(ethylene glycol) (PEG) conjugates enabled the specific binding und subsequent release of these drugs in DMSO-free biotests. For the design of the drug conjugate carriers, large peptide libraries have been screened using Raman or fluorescence microscopy-based methods to follow drug enrichment on certain peptide library beads which exhibit high drug affinity. Identification of peptide sequences of positive hits was performed by Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI)-mass spectrometry (MS/MS) fragmentation. The corresponding conjugates were synthesized; loaded with the potential drugs and the resulting highly water-soluble drug transporter complexes were analyzed. Compact and defined complexes are desirable with regard to biomedical applications. Various studies on drug-peptide interactions, specifity of drug binding and influence of the different parts of the conjugates for drug capacities were performed successfully. Generated drug transporter complexes were finally tested in DMSO free bioassays. Depending on drug and peptide structures, the complexes could reach effects comparable to the drugs solubilized by DMSO. The bioavailability of poor water-soluble anti-AD compounds was largely improved. Presumably, the new developed Raman-screening procedure can be expanded to a great extent of compounds suffering from unfavorable pharmacological characteristics.