Výzkumná skupina bioorganické chemie a biomateriálů

Zavedení fluoru do molekuly sacharidu představuje mimořádně efektivní způsob, jak zkoumat a modulovat interakce mezi sacharidy a proteiny. Zabýváme se syntézou fluorosacharidů, především pak fluorovaných oligosacharidů, a jejich využitím jako glykomimetických nástrojů k prozkoumání interakcí sacharid-protein. Obzvláště se zajímáme o využití fluorovaných oligosacharidů jako selektivních ligandů pro galektiny, biomedicínsky významnou skupinu proteinů interagujících se sacharidy. Vyvíjíme proto metodiky pro přípravu fluorovaných glykosyl donorů a akceptorů a studujeme jejich reaktivitu a stereoselektivitu při glykosylacích.  Systematické  zavádění fluoru postupně do každé polohy sacharidového skeletu nám umožňuje odpojit každý jednotlivý hydroxyl od sítě vodíkových vazeb existujících v rámci oligosacharidového řetězce a odhadnout, jaký vliv má daný hydroxyl na konformaci, lipofilitu a další vlastnosti. Systematická fluorace může rovněž objasnit, jaký je příspěvek jednotlivých hydroxylových skupin oligosacharidu k jeho interakci s proteiny. Zavedení fluoru do molekuly sacharidu také může v některých případech zvýšit afinitu k lektinům díky novým nekovalentním interakcím.  Interakce fluorovaných sacharidů s proteiny můžeme s výhodou zkoumat pomocí ¹⁹F NMR experimentů díky příznivým NMR vlastnostem jádra izotopu ¹⁹F.

V rámci skupiny vyvíjíme nové koncepty a příslušné syntetické a separační metody pro přípravu a izolaci karbosilanových dendrimerů a komplexních makromolekulárních a supramolekulárních systémů založených na dendritické architektuře. Vnější vrstva dendrimeru (periferie) obsahuje velký počet dobře definovaných vazebných míst vhodných pro připojení funkčních struktur cílených na konkrétní aplikace. Modulární syntetický přístup nám umožňuje získat specifické vícefunkční materiály; zaměřujeme se zejména na syntézu multivalentních glykokonjugátů a receptorů aniontů.

Multivalentní glykosylované materiály mají důležitou roli v glykobiologii, mj. jako inhibitory enzymů nebo modelové klastrované systémy pro studium interakcí sacharidů s lektiny (proteiny vázající sacharidy), ale také pro použití jako nevirální vektory a systémy pro cílenou dopravu léčiv. V současnosti připravujeme multivalentní dendritické systémy nesoucí jednak přirozené ligandy lektinů a sacharidových transportérů, jako glukosu, galaktosu, laktosu či N-acetyl-d-laktosamin, ale také jejich syntetická analoga a deriváty.

Vedle toho se zabýváme syntézou recyklovatelných receptorů biologicky relevantních aniontů (H₂PO₄,  karboxylátů, chirálních karboxylových kyselin aj.). Aktivní místa rozpoznávající konkrétní analyty jsou ukotvena na dendritickém karbosilanovém nosiči, což jednak zvyšuje počet vazebných míst, ale také umožňuje jejich kooperaci při koordinaci analytu. Takovéto receptory lze navíc využít pro separaci analytu ze směsi ve formě makromolekulárního komplexu, přičemž po následné indukované disociaci komplexu získáme pomocí nanofiltrace cílový analyt a recyklujeme receptor.

Syntéza dendritických molekul je neoddělitelně spojena s vývojem inovativních metod čištění a charakterizace. Zabýváme se detailní analýzou struktury dendrimerů a podařilo se nám identifikovat strukturu a původ většiny defektů, které doprovázejí syntézu karbosilanových dendrimerů a rovněž jejich periferní funkcionalizaci. Zejména v hmotnostní spektrometrii s měkkou ionizací (ESI, MALDI) má vysoká míra symetrie a repetitivní struktura dendrimerů zesilující efekt vedoucí k vyšší citlivosti metody vůči defektům. Tyto informace jsou podstatné pro další optimalizaci syntetických protokolů a docílení vysoké čistoty produktů nezbytné pro bioorganické aplikace. Implementace nanofiltrace, jak ve vodné fázi, tak v organických rozpouštědlech, nám umožnila dále zvýšit čistotu produktů, a také recyklovat cenné reaktanty, které je třeba většinou používat ve velkém nadbytku.

• A. Krupková, M. Müllerová, R. Petrickovic, T. Strašák: Sep. Purif. Technol. 310, 123141, 2023. DOI
• P. Cuřínová, A. Krupková, L. Červenková Šťastná, M. Müllerová, J. Čermák, T. Strašák: J. Mass Spectrom. 53, 986–996, 2018. DOI
• A. Krupková, J. Čermák, Z. Walterová, J. Horský: Macromolecules 43, 4511–4519, 2010. DOI
• A. Krupková, J. Čermák, Z. Walterová, J. Horský: Anal. Chem. 79, 1639-1645, 2007. DOI

Struktury na bázi karbosilanů vykazují příznivé vlastnosti z hlediska biomedicínsky orientovaného výzkumu, mj. velkou flexibilitu a stabilitu a nízkou cytotoxicitu. Připravujeme dendritické platformy s rozmanitou architekturou, kde větvícím bodem je křemík. Takto získané knihovny materiálů s dobře definovanou strukturou jsou pak dále systematicky studovány v různých směrech. Dendrimery funkcionalizované galaktosovými a glukosovými jednotkami byly využity jako vysoce biokompatibilní systémy dopravy léčiv pro chemoterapeutikum doxorubicin, přičemž vykazovaly vysokou nosnost, pH-dependentní uvolňování léčiva a jeho přednostní internalizaci v nádorových buňkách. Modifikovaný test na rybích embryích Dania pruhovaného (FET, Danio rerio) ukázal, že vývojová toxicita glukosových dendrimerů studovaná in vivo se liší o dva až tři řády od in vitro stanovené cytotoxicity. Nedávno připravené dendrimery modifikované laktosou s triazolovým kruhem v anomerní poloze vykazují selektivní afinitu vůči sacharidy vážícímu proteinu galektinu-9 a výrazný pozitivní dendritický efekt ve srovnání s monovalentní laktosou. Pro účely genové terapie jsme navrhli kationtové laktosou funkcionalizované dendrimery nesoucí až 32 nabitých skupin na periferii. Kromě výjimečné biokompatibily se tyto látky vyznačují schopností tvořit stabilní komplexy s siRNA. Modulární syntetický přístup nám umožňuje racionální design konjugátů a připojení různorodých funkčních, diagnostických a bioaktivních struktur podle potřeby (fluorescentní značky, reaktivní skupiny, krátké proteiny aj.)

• M. Müllerová, D. Maciel, N. Nunes, D. Wrobel, M. Stofik, L. Červenková Šťastná, A. Krupková, P. Cuřínová, K. Nováková, M. Božík, M. Malý, J. Malý, J. Rodrigues, T. Strašák:  Biomacromolecules 23(1), 276–290, 2022. DOI
• A. Edr, D. Wrobel, A. Krupková, L. Červenková Šťastná, P. Cuřínová, A. Novák, J. Malý, J. Kalasová, J. Malý, M. Malý, T. Strašák: Int. J. Mol. Sci. 23(4), 2114, 2022. DOI
• D. Wrobel, M. Müllerová, T. Strašák, K. Růžička, M. Fulem, R. Kubíková, M. Bryszewska, B. Klajnert-Maculewicz, J. Malý: Int. J. Pharm. 579, 119138, 2020. DOI
• M. Liegertová, D. Wrobel, R. Herma, M. Müllerová, L. Červenková Šťastná, P. Cuřínová, T. Strašák, M. Malý, J. Čermák, J. Smejkal, M. Štofik, J. Malý: Nanotoxicology 12(8), 797–818, 2018. DOI
• Müllerová, M., Hovorková, M., Závodná, T., Červenková Šťastná, L., Krupková, L., Hamala, V., Nováková, K., Topinka, J., Bojarová, P., Strašák, T., Lactose-Functionalized Carbosilane Glycodendrimers Are Highly Potent Multivalent Ligands for Galectin-9 Binding: Increased Glycan Affinity to Galectins Correlates with Aggregation Behavior. Biomacromolecules 2023, 24 (11), 4705–4717. DOI: 10.1021/acs.biomac.3c00426

Se zavedením platinových komplexů do protirakovinné léčby započal rozsáhlý výzkum protinádorových účinků organokovových komplexů. Zajímáme se o protinádorovou aktivitu komplexů nesoucích vhodně modifikované sacharidy jako ligandy koordinované k centrálnímu atomu kovu. Zjistili jsme, že některé typy těchto komplexů, např. ruthenium tetrazeny nebo některé feroceny a titanoceny, jsou vysoce cytotoxické, zatímco ruthenium areny, které jsou prakticky necytotoxické, vykazují značnou metastatickou aktivitu.

• Hamala, V.; Ondrášková, K.; Červenková Šťastná, L.; Krčil, A.; Müllerová, M.; Kurfiřt, M.; Hiršová, K.; Holčáková, J.; Gyepes, R.; Císařová, I.; Bernášková, J., Hrstka, R; Karban, J. Improving the anticancer activity of fluorinated glucosamine and galactosamine analogs by attachment of a ferrocene or ruthenium tetrazene motif. Appl. Organomet. Chem. 2024, 38 (5), e7399. DOI: 10.1002/aoc.7399.
• M. Lamač, M. Horáček, L. Červenková Šťastná, J. Karban, L. Sommerová, H. Skoupilová, R. Hrstka, J. Pinkas: Appl. Organomet. Chem. 34(1), e5318, 2020. DOI
• V. Hamala, A. Martišová, L. Červenková Šťastná, J. Karban, A. Dančo, A. Šimarek, M. Lamač, M. Horáček, T. Kolářová, R. Hrstka, R. Gyepes, J. Pinkas: Appl. Organomet. Chem. 34(11), e5896, 2020. DOI
• H. Skoupilova, V. Rak, J. Pinkas, J. Karban, R. Hrstka: Appl. Sci. 10(11), 3728, 2020. DOI
• H. Skoupilova, M. Bartosik, L. Sommerova, J. Pinkas, T. Vaculovic, V. Kanicky, J. Karban, R. Hrstka: Eur. J. Pharmacol. 867, 172825, 2020. DOI
• T. Hodík, M. Lamač, L. Červenková Šťastná, P. Cuřínová, J. Karban, H. Skoupilová, R. Hrstka, I. Císařová, R. Gyepes, J. Pinkas: J. Organomet. Chem. 846, 141–151, 2017. DOI
• M. Bartošík, L. Koubková, J. Karban, L. Červenková Šťastná, T. Hodík, M. Lamač, J. Pinkas, R. Hrstka: Analyst 140(17), 5864-5867, 2015. DOI
• T. Hodík, M. Lamač, L. Červenková Št’astná, J. Karban, L. Koubková, R. Hrstka, I. Císařová, J. Pinkas: Organometallics 33(8), 2059-2070, 2014. DOI

Připravili jsme úplnou sérii mono-, di- a trifluorovaných analog N-acetylglukosaminu a N-acetylgalaktosaminu. Většinu z nich jsme syntetizovali s využitím chemie 1,6-anhydropyranos, která umožnila stereoselektivní zavedení fluoru do poloh 3 a 4. Za použití 2-azido-1-thioglykosidových intermediátů jsme připravili fluorované acylované 2-acetamidolaktoly, které vykazují cytotoxicitu při koncentracích nízkých desítek mikromolů.

• V. Hamala, L. Červenková Šťastná, M. Kurfiřt, P. Cuřínová, M. Dračínský, J. Karban: Beilstein J. Org. Chem. 17, 1086-1095, 2021. DOI
• V. Hamala, L. Červenková Šťastná, M. Kurfiřt, P. Cuřínová, M. Balouch, R. Hrstka, P. Voňka, J. Karban: Org. Biomol. Chem. 19(20), 4497-4506, 2021. DOI

Stereoselektivní syntéza glykosidické vazby nadále zůstává jednou z hlavních obtíží chemické syntézy komplexních glykostruktur. Vliv nevicinálních (vzhledem k anomerní poloze) substituentů  pyranosového cyklu na stereoselektivitu glykosylace je stále více uznáván. Zabýváme se studiem vlivu, který má zavedení fluoru do poloh 3, 4 a 6, na stereoselektivitu donorů na bázi 2-azido-hexopyranos. Studujeme zejména thioglykosidové donory dostupné z nedávno připravených fluorovaných 2-azido-1,6-anhydro-hexopyranos. Srovnáváme stereoselektivitu fluorovaných thiodonorů s jejich O-benzyl nebo O-acetyl analogy a navrhujeme mechanistické vysvětlení. Syntetickými modifikacemi glykosyl donoru i akceptoru a úpravou reakčních podmínek jsme schopni  vyvinout postupy pro 1,2-cis-glykosylaci s deoxyfluorovanými 2-azido-2-deoxy-d-gluko/galaktopyranosyl donory.

• M. Kurfiřt, L. Červenková Št’astná, P. Cuřínová, V. Hamala, J. Karban: J. Org. Chem. 86(7), 5073–5090, 2021. DOI
• V. Hamala, L. Červenková Št’astná, M. Kurfiřt, P. Cuřínová, M. Dračínský, J. Karban: Org. Biomol. Chem. 18(28), 5427–5434, 2020. DOI
• M. Kurfiřt, L. Červenková Št’astná, M. Dračínský, M. Müllerová, V. Hamala, P. Cuřínová, J. Karban: J. Org. Chem. 84(10), 6405–6431, 2019. DOI

Galektiny jsou rozpustné proteiny, které nekovalentně váží β-galaktosidy. Nekovalentní interakce galektinů s oligosacharidy obsahujícími tento strukturní motiv se podílejí na vzniku a rozvoji patologií jako jsou např. rakovina nebo zánětlivé a fibrotické procesy. Připravujeme fluorovaná analoga galektinových ligandů laktosy, N-acetyllaktosaminu a N,N’-diacetyllaktosaminu a využíváme je jako molekulární sondy pro studium lidských galektinů. Kromě tzv. chemického mapování vazebného místa můžeme aplikovat metody ¹⁹F NMR spektroskopie k objasnění molekulární podstaty pozorovaných vazebných jevů. Navázání monovalentního fluorovaného disacharidu na multivalentní nosiče (dendrimery, proteiny apod.) nám dovoluje vyhodnotit dopad multivalentní prezentace ligandu na afinitu a selektivitu interakcí s galektiny. Očekáváme, že modulace selektivity sacharidových ligandů ke galektinům jejich deoxyfluorací a klastrováním povede k objevu selektivních inhibitorů. Syntetizujeme rovněž tetrasacharidy sestávající z fluorovaného disacharidového ligandu navázaného β-(1-4) glykosidickou vazbou na endogenní nebo fluorovanou laktosu či N-acetyllaktosamin. Tyto tetrasacharidy nyní využíváme k chemickému mapování méně konzervovaných vazebných segmentů A a B, jejichž afinita ke glykomimetikům je zatím málo prozkoumaná.

• M. Kurfiřt, M. Dračínský, L. Červenková Šťastná, P. Cuřínová, V. Hamala, M. Hovorková, P. Bojarová, J. Karban: Chem. Eur. J. 27(51), 13040–13051, 2021. DOI