Synthesis and characterization of mannosylated poly(ethylene glycol)-poly(ε-caprolactone) copolymers as potential lectin ligands

This thesis was devoted to the synthesis and the characterization of a library of glycopolymers, i.e. polymers bearing pendant saccharides. Glycopolymers are interesting biomaterials because they can easily have high valencies, which confer them the ability to strongly bind carbohydrate-recognizing counterparts. In particular, lectins are carbohydrate-binding receptors expressed in bacteria, viruses, plants, animals and humans. The interaction between lectins and specific glycan motifs drives a series of biological events, such as cell-cell adhesion and cell recognition. Moreover, some pathogens (such as influenza, Ebola and HIV viruses) infect cells through carbohydrate-protein interactions. The aim of this project was to produce a library of new multivalent mannosylated-PEG-poly(ε-caprolactone)-copolymers as potential lectin binders. Poly(ethylene glycol) (PEG) and the polyester poly(ε-caprolactone) (PCL) are common building blocks for the synthesis of biocompatible and biodegradable nanomaterials. In this work, controlled radical polymerizations, such as Ring Opening Polymerization (ROP) and Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) were used to produce polymers with a predetermined degree of polymerization and a narrow molecular weight distribution. PCL bearing a terminal triple bond (suitable for further derivatization) was obtained from ε-caprolactone by ROP. Different percentages of activated PEG and PCL were then co-polymerized through ATRP, using linear and four-arms initiators. A library of linear or 4-armed polymers, having different compositions and different percentages of active triple bonds, was obtained in good yields. Polymers were finally post-functionalized with azide-bearing mannose ligands, synthesized in collaboration with the group of Prof. Anna Bernardi (Department of Chemistry, University of Milano), through Copper-catalyzed Azide-Alkyne click reaction. Since these polymers contain both hydrophilic and hydrophobic moieties, they were able to form nano-sized colloids in aqueous media, as confirmed by Dynamic Light Scattering. Their activity as ligands for lectins was assessed through in vitro biological experiments. Concanavalin A was used as lectin model for preliminary analyses, and the relation between the structure, molecular weight, shape and valency of glycopolymers and their biological activity was investigated. A subset of the synthesized polymers were able to bind Concanavalin A through multivalent mechanisms. Therefore, the promising bioactivity of these materials as lectins antagonists could potentially prevent pathological events and may be further investigated.

Questa tesi è stata dedicata alla sintesi e alla caratterizzazione di una libreria di glicopolimeri, cioè polimeri funzionalizzati con unità saccaridiche. I glicopolimeri sono interessanti biomateriali perché possono facilmente avere un’alta valenza, cosa che conferisce loro l’abilità di formare forti legami con composti in grado di riconoscere i carboidrati. In particolare, le lectine sono recettori che legano i carboidrati; sono presenti nei batteri, virus, piante, animali e umani. L’interazione tra lectine e specifici glicani è alla base di molteplici eventi biologici, quali adesione e riconoscimento cellulare. Molti patogeni (come ad esempio i virus dell’influenza, Ebola e HIV) infettano le cellule proprio attraverso le interazioni carboidrati-proteine. Lo scopo di questa tesi è stato di produrre una libreria di nuovi copolimeri PEG-poli(ε-caprolattone), multivalenti e mannosilati, da utilizzare come potenziali leganti di lectine. Il glicole polietilenico (PEG) e il poliestere poli(ε-caprolattone) (PCL) sono largamente impiegati per la sintesi di nanomateriali biocompatibili e biodegradabili. In questo lavoro, sono stati usati metodi di polimerizzazione radicalica controllata, come la polimerizzazione per apertura di anello (ROP) e la polimerizzazione radicalica per trasferimento atomico (ATRP), cosi da produrre polimeri con un predeterminato grado di polimerizzazione e una stretta distribuzione dei pesi molecolari. Attraverso l’apertura dell’anello dell’ε-caprolattone (ROP) è stato ottenuto il PCL avete come gruppo terminale un triplo legame (necessario per le successive funzionalizzazioni). Differenti percentuali di PEG e PCL sono state poi polimerizzate attraverso l’ATRP, utilizzando iniziatori lineari e a quattro braccia. Una libreria di polimeri lineari o a 4 braccia, aventi differenti composizione e percentuali di triplo legame, è stata ottenuta con buone rese. I polimeri sono stati infine mannosilati, in collaborazione con la Prof.ssa Anna Bernardi (Dipartimenti di Chimica, Università degli Studi di Milano), attraverso la reazione di cicloaddizione azide-alchino rame-catalizzata. Dato che questi polimeri contengono sia una parte idrofobica che una parte idrofila, sono in grado di formare colloidi dalle dimensioni nanometriche in soluzione acquosa, come confermato dal Dynamic Light Scattering. La loro attività come ligandi per le lectine è stata valutata attraverso esperimenti biologici in vitro. Analisi preliminari sono state condotte con la lectina modello Concanavalina A, per indagare qual è il rapporto tra struttura, peso molecolare, forma e valenza dei glicopolimeri e la loro attività biologica. Una sottoclasse di polimeri sintetizzati è stata in grado di instaurare legami multivalenti con la Concanavalina A. La bioattività di questi materiali come antagonisti di lectine potrebbe potenzialmente prevenire eventi patologici e sarà ulteriormente studiata.