Properties of Nucleosyl Amino Acid-Modified Oligonucleotides

Abstract

Antisense technology has the potential to evolve into a powerful biomedical tool. By utilizing the unique hybridization behavior of antisense oligonucleotides (ON) the antisense approach facilitates a specific intervention in cellular processes that would be barely feasible by using conventional drugs. However, the tremendous potential that comes with the antisense strategy is paired with the insufficient pharmacokinetic profile of native DNA ONs. Thus, an overall low stability in vivo as well as limited cellular uptake due to the extremely polar DNA structure, represent two of the main obstacles. Consequently, alterations of the native DNA structure are required to obtain applicable, drug-like substances. The reported work focuses on the synthesis and evaluation of modified ONs carrying the nucleosyl amino acid (NAA)-modification, a peptide-like internucleoside structure featuring a free amino group, within their backbone. Part A of this thesis concentrates on the biological stability of partially zwitterionic NAA-modified ONs in the presence of 3'→5'- and 5'→3'-exonucleases as well as human plasma and whole cell lysate. In part B, the hybridization properties of cationic, fully NAA-modified ONs in presence of matched and mismatched counterstrands were analyzed and validated. Finally, part C focuses on the synthesis and evaluation of a chimeric NAA/LNA-gapmer structure with the aim to obtain a selective, high-affinity precursor of an antisense ON.

Die Antisense-Technologie hat das Potenzial, sich zu einem leistungsfähigen biomedizinischen Werkzeug zu entwickeln. Durch die Nutzung des einzigartigen Hybridisierungsverhaltens von Antisense-Oligonucleotiden (ON) ermöglicht sie einen gezielten Eingriff in zelluläre Prozesse, der mit herkömmlichen Methoden kaum durchführbar wäre. Das enorme Potenzial, das mit dem Antisense-Ansatz einhergeht, ist jedoch an das unzureichende pharmakokinetische Profil nativer DNA-ON geknüpft. Hierbei stellen eine insgesamt geringe in-vivo-Stabilität sowie eine erschwerte zelluläre Aufnahme aufgrund der polaren DNA-Struktur zwei der Hauptprobleme dar. Folglich sind Veränderungen der nativen DNA-Struktur erforderlich, um applizierbare Substanzen zu erhalten. Daher konzentriert sich die folgende Arbeit auf die Synthese und Evaluierung modifizierter ON, die in ihrem Rückgrat die Nucleosylaminosäure-(NAA)-Modifikation, eine peptidähnliche Internucleosid-Struktur mit einer freien Aminogruppe, tragen. Teil A dieser Arbeit befasst sich mit der biologischen Stabilität von teilweise zwitterionischen NAA-modifizierten ON in Gegenwart von 3'→5'- und 5'→3'-Exonukleasen sowie humanem Plasma und Zelllysat. In Teil B wurden die Hybridisierungseigenschaften von kationischen, vollständig NAA-modifizierten ON analysiert und validiert. Zuletzt befasst sich Teil C mit der Synthese und Untersuchung einer chimären NAA/LNA-Gapmer-Struktur mit dem Ziel, eine selektive, hochaffine Vorstufe eines Antisense-ON zu erhalten.