University of Groningen Controlling Biological Function with Light Hansen, Mickel Jens

(1)

University of Groningen

Controlling Biological Function with Light

Hansen, Mickel Jens

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2018

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Hansen, M. J. (2018). Controlling Biological Function with Light. Rijksuniversiteit Groningen.

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

(2)

526510-L-sub01-bw-Hansen 526510-L-sub01-bw-Hansen 526510-L-sub01-bw-Hansen 526510-L-sub01-bw-Hansen Processed on: 26-11-2018 Processed on: 26-11-2018 Processed on: 26-11-2018

Processed on: 26-11-2018 PDF page: 211PDF page: 211PDF page: 211PDF page: 211

Samenvatting en Conclusie

Dit proefschrift beschrijft methodes om biologische activiteit te beïnvloeden door gebruik te maken van licht. De twee methodes die worden geïntroduceerd en toegepast zijn fotofarmacologie en foto-geactiveerde therapie. Directe samenwerking tussen synthetische organische chemie en biologie is cruciaal om efficiënte ontwikkeling van deze nieuwe onderzoeksvelden te bewerkstelligen. Hoofdstuk 2 dient als introductie van fotofarmacologie. Hierin wordt beschreven hoe biologische functie met ongekende precisie in plaats en tijd gecontroleerd kan worden door gebruik te maken van licht. Het uiteindelijke doel van deze methode is het terugdringen van bijwerkingen en het tegengaan van de opbouw van actieve medicijnen in het milieu. Dit hoofdstuk geeft een kritisch overzicht van de state-of-the-art in de fotofarmacologie en introduceert een manier om de verschillende medisch relevante targets te classificeren. Deze classificatie is onderbouwd met recente voorbeelden uit de literatuur.

Hoofdstuk 3 focust op de ontwikkeling van een synthetische methode om bestaande medicijnen op een eenvoudige manier om te zetten in fotoschakelbare derivaten in één synthetische stap en beschrijft de biologische evaluatie van de op die manier gesynthetiseerde moleculen. Deze modulaire synthetische aanpak maakt het mogelijk om fotoschakelbare antibiotica te maken door de introductie van zowel azobenzeen als spiropyran fotoschakelaars. Eén van de gesynthetiseerde fotoschakelbare antibiotica (gebaseerd op ciprofloxacine en azobenzeen) blijkt 50 keer actiever te zijn dan het originele antibioticum. Verder wordt aangetoond dat het antibioticum lokaal aangezet kan worden door bacteriën onder invloed van licht in een patroon te laten groeien. Een potentieel nadeel van de gebruikte azobenzeen en spiropyran fotoschakelaars is de noodzaak om te beschijnen met UV licht, wat toxisch is en slecht weefsel binnendringt.

In hoofdstuk 4 wordt een methode beschreven om azobenzeen fotoschakelaars te synthetiseren die geschakeld kunnen worden met zichtbaar licht. Deze synthetische methode maakt gebruik van een ortho-lithiering gevolgd door een reactie van het gelithieerde substraat met aryldiazoniumzouten. Dit maakt het mogelijk tetra-gesubstitueerde azobenzeen fotoschakelaars te maken in korte tijd, met goede opbrengst en zonder uitgebreide zuiveringsprocedures. Door gebruik te maken van deze nieuwe methodologie zijn verschillende niet-symmetrische, gesubstitueerde azobenzenen gesynthetiseerd wat hopelijk de weg vrij maakt voor de toepassing van deze nieuwe soort fotoschakelaars in de fotofarmacologie.

In hoofstuk 5 wordt een toepassing van de in hoofdstuk 4 beschreven methode besproken. Na het ontwikkelen van een UV-licht schakelbare diaminopyridine derivaat met goede antibacteriële eigenschappen en een verschil in activiteit tussen de twee fotoisomeren is de ‘gewone’ azobenzeen vervangen door een

(3)

tetra-526510-L-sub01-bw-Hansen 526510-L-sub01-bw-Hansen 526510-L-sub01-bw-Hansen 526510-L-sub01-bw-Hansen Processed on: 26-11-2018 Processed on: 26-11-2018 Processed on: 26-11-2018

ʹͲͶ

gesubstitueerde derivaat. Dit maakt het mogelijk om het fotoschakelbare antibioticum aan en uit te zetten door te beschijnen met verschillende kleuren zichtbaar licht. Het gebruik van een dergelijke fotoschakelaar is in dit onderzoek voor het eerst in situ aangetoond waarbij aan- en uitgeschakeld kon worden in de aanwezigheid van bacteriën. Uiteindelijk is een verschil in activiteit gevonden voor de tetra-chloor gesubstitueerde variant waarbij de activatie plaatsvindt doormiddel van 652 nm rood licht, wat het in potentie mogelijk maakt om dit fotoschakelbare antibioticum therapeutisch toe te passen.

Hoofdstuk 6 richt zich op een nieuwe methodologie om fotoschakelbare modulators van bacteriële communicatie te synthetiseren. Door gebruik te maken van deze methodologie zijn er 16 fotoschakelbare modulators gesynthetiseerd. Deze moleculen zijn vervolgens getest op hun remmende of activerende werking op bacteriële communicatie. De beste activator liet 70% activatie zien terwijl de beste remmer voor 59% communicatie stopte. Bijzonder is dat de beste activator meer dan 700 keer verschil in activiteit laat zien tussen de niet beschenen en beschenen vorm. Dit laat een ongeëvenaarde selectiviteit in fotofarmacologie zien met interessante mogelijkheden voor de toekomst.

Foto-geactiveerde therapie, en dan met name golflengte-selectief gebruik hiervan, is beschreven in hoofdstuk 7. Dit hoofdstuk geeft een introductie en overzicht van fotobeschermgroepen samen met een aantal voorbeelden uit de literatuur. Meerdere functies in één systeem kunnen worden gecontroleerd door gebruik te maken van verschillende fotobeschermgroepen die ontschermd kunnen worden door middel van verschillende kleuren licht.

Hoofdstuk 8 beschrijft de toepassing van foto-geactiveerde therapie om eiwit-eiwit interacties te beïnvloeden (MDM2-p53). Het ontwerp, de synthese en biologische evaluatie van een foto-activeerbare MDM2 remmer zijn uitgewerkt. De beschreven remmer maakt het mogelijk selectief een antikankermedicijn te activeren met zichtbaar licht (samenwerking met dr. Femke M. Feringa, NKI). Western blot analyse laat een significant verschil zien in p53 stabilisatie (MDM2-remming) voor en na beschijnen van de foto-activeerbare idasanutlin met licht. Dit effect is aangetoond in 4 verschillende cellijnen en bevestigd dat het mogelijk is doormiddel van lichtactivatie selectief celgroei te remmen. Verder beschrijft dit hoofdstuk de precieze activatie van één enkele cel door gebruik te maken van de foto-activeerbare idasanutlin in combinatie met een 405 nm laser met micrometer resolutie.

In hoofdstuk 9 wordt de synthese van een foto-activeerbare siderophore-antibioticum onderzocht. Dergelijke moleculen kunnen mogelijk als een strategie, gelijkend aan het Trojaanse paard, worden gebruikt om de bacteriele opname van antibiotica te bevorderen. Een bekende siderophore, gebruikt door Pseudomonas

Aeruginosa, is geconjugeerd aan een quinoloon antibioticum doormiddel van een

moleculaire linker die verbroken kan worden met licht. Dit maakt het mogelijk het antibioticum af te scheiden onder invloed van zichtbaar licht. Uiteindelijk is het

(4)

ʹͲͷ Samenvatting en Conclusie

ontworpen siderophore-quinoloon derivaat gesynthetiseerd in een 22-staps synthese. Oplosbaarheidsproblemen en aggregatie in buffer maken het helaas niet mogelijk om de biologisch activiteit op een betrouwbare manier verder te onderzoeken. Concluderend beschrijft dit proefschrift de ontwikkeling van synthetische methodologie en het gebruik hiervan om biologische activiteit te controleren doormiddel van zichtbaar licht. Dit concept wordt in dit proefschrift toegepast voor een breed scala aan biologische functionaliteiten, van antibiotica ontwikkeling tot kankermedicijn modificatie. Het gebruik van zichtbaar licht voor de controle van biologische processen is essentieel voor de ontwikkeling van fotofarmacologie en foto-geactiveerde therapie, met als ultieme doel de toepassing in de kliniek. Om dit te bereiken zijn eenvoudige synthetische methodes, die het mogelijk maken om fotoschakelbare biologische relevante moleculen te maken, cruciaal. Hiermee komen deze moleculen, en als gevolg daarvan, deze technologieën beschikbaar voor de brede chemisch-biologische gemeenschap. Het beïnvloeden van biologische functie met licht blijft een divers en uitdagend onderzoeksveld met de potentie om de toekomstige gezondheidszorg te revolutioneren.

(5)