Solubilisierung lipophiler Substanzen durch Phospholipidvesikel

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1 Solubilisierung lipophiler Substanzen durch Phospholipidvesikel Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften im Fachbereich Chemie der Universität Gesamthochschule Essen vorgelegt von Erik Brückner aus Marl Essen im Jahre 2000

2 Referent: Prof. Dr. H. Rehage Korreferent: Prof. Dr. G. Peschel Tag der mündlichen Prüfung:

3 Am Meer, am wüsten, nächtlichen Meer steht ein Jüngling-Mann, die Brust voll Wehmut, das Haupt voll Zweifel, und mit düstern Lippen fragt er die Wogen: "O löst mir das Rätsel des Lebens, das qualvoll uralte Rätsel, worüber schon manche Häupter gegrübelt, Häupter in Hieroglyphenmützen, Häupter in Turban und schwarzem Barett, Perückenhäupter und tausend andre, arme, schwitzende Menschenhäupter. Sagt mir, was bedeutet der Mensch? Woher ist er kommen? Wo geht er hin? Wer wohnt dort oben auf den goldenen Sternen?" Es murmeln die Wogen ihr ew'ges Gemurmel, es wehet der Wind, es fliehen die Wolken, es blinken die Sterne gleichgültig und kalt. Und ein Narr wartet auf Antwort. Heinrich Heine

4 Danksagung Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von September 1996 bis Januar 2000 im Institut für Physikalische Chemie der Universität Gesamthochschule Essen im Rahmen eines interdisziplinären Graduiertenkollegs Verbesserung des Wasserkreislaufs urbaner Gebiete zum Schutz von Boden und Grundwasser angefertigt. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. H. Rehage für die interessante Themenstellung, die wertvollen Ratschläge während der Durchführung dieser Arbeit. Herrn Prof. Dr. G. Peschel danke ich recht herzlich für die Übernahme des Korreferates. Bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft bedanke ich für die finanzielle Unterstützung in Form eines Stipendiums. Allen Mitgliedern des Graduiertenkollegs möchte ich für die angenehme Atmosphäre, die Diskussionsbeiträge und die Möglichkeit des Einblicks in die unterschiedlichsten Interessengebiete der verschiedenen Fachbereiche danken. Für die Kooperation bei der Untersuchung der Vesikel/Zell-Interaktionen sei C. Ehrenstein und Prof. Dr. G. Obe besonders gedankt. Ich danke allen Mitgliedern des Institutes für die Kollegialität, Hilfsbereitschaft und das ausgezeichnete Arbeitsklima. Mein besonderer Dank gilt Dr. P. Sonntag für die nahezu unzähligen Diskussionen, R. König für die ständige Hilfsbereitschaft und Dr. A. Walter für die unermüdlichen Lektorentätigkeiten. N. Wegen, I. Schneeweiß und H. Song danke ich für die tatkräftige Mithilfe zum Gelingen dieser Arbeit. Nichtzuletzt möchte ich mich bei Dr. U. Seifert und Dr. H.-G. Döbereiner (MPI Golm) für das ständige Interesse an dieser Arbeit und die interessanten Diskussionen bedanken. Ferner gilt mein Dank Dr. J. Hotz. Besonders herzlich bedanken möchte ich mich bei meinen Eltern für ihre immerwährende Unterstützung und natürlich bei Dr. P. Meineke, deren Hilfsbereitschaft ich nicht in Worte zu fassen vermag.

5 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis Einleitung Grundlagen Historischer Hintergrund Phospholipide Geometrische Betrachtung der Packung von Amphiphilen Kräfte innerhalb der Doppelschicht Dynamik der Doppelschichtstrukturen Bedeutung der Selbstorganisation für die Funktion der Zelle Polymorphismus der Phospholipide Einteilung der Vesikel Gestalt von Vesikeln Stabilität von Vesikeln Darstellung und Eigenschaften von Phospholipidvesikeln Solubilisierung in Mizellen und Vesikeln Anwendungsbeispiele vesikulärer Systeme Verwendung von Vesikeln zur Solubilisierung lipophiler Substanzen Problemstellung Ergebnisse Lokalisierung lipophiler Solubilisate innerhalb der Doppelschicht von Phospholipidvesikeln Untersuchungsmethoden zur Lokalisierung des Solubilisats in Vesikeln Protonenresonanzspektroskopie zur Charakterisierung der Packungseigenschaften innerhalb der Doppelschicht Röntgendiffraktometrie zur Charakterisierung struktureller Einflüsse innerhalb der Doppelschicht Fluoreszenzspektroskopie zur Untersuchung der inneren Eigenschaften der Doppelschicht Thermotrope Eigenschaften von Vesikeln Dynamische Differenzkalorimetrie Einfluß des Phasenverhaltens auf die Morphologie von Vesikeln Mikroskopische Untersuchung des thermotropen Polymorphismus Zusammenfassung Mechanochemische Eigenschaften von Phospholipidvesikeln Elastische Eigenschaften amphiphiler Substanzen... 67

6 INHALTSVERZEICHNIS 4.2 Elastizität von Vesikeln Bestimmung der Biegesteifigkeit Methoden zur Bestimmung der Biegesteifigkeit Optimierung der Methode der Fluktuationsanalyse Numerische Simulationen Fluktuationsanalyse von Vesikeln Einfluß lipophiler Solubilisate auf die Biegesteifigkeit Temperaturabhängige Formfluktuationsanalyse Zusammenfassung Bedeutung der Biegesteifigkeit von Vesikeln Kinetische Untersuchungen zur Solubilisierung Dynamik des Einbaus lipophiler Solubilisate in die Vesikelmembran Kinetik der Solubilisierung lipophiler Substanzen Einfluß von Vesikeln auf das mutagene Potential lipophiler Schadstoffe Bedeutung von Vesikeln im Hinblick auf Mobilisierungserscheinungen Fremdstoffmetabolismus lipophiler Stoffe in Organismen Schwesterchromatidenaustausch-Test (SCE) Einfluß von Vesikeln auf die Gentoxizität Zusammenfassung Anwendungsbeispiele vesikulärer Systeme Wege zu morphologisch schaltbaren vesikulären Strukturen Vesikel als Templat zur Polymerisation Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Material und Methoden Reinigung der verwendeten Chemikalien Methoden zur Vesikeldarstellung Experimentelle und analytische Methoden Literaturverzeichnis Anhang...197

7 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS Abkürzungsverzeichnis Abkürzungen chemischer Substanzen BrdUrd BTX DLPC DMPC DNS DOPC DPPC DSPC PBS SDS 5-Bromdesoxyuridin Benzol, Toluol, Xylol Dilauroylphosphatidylcholin Dimyristoylphosphatidylcholin Desoxyribonucleinsäure Dioleoylphosphatidylcholin Dipalmitoylphosphatidylcholin Distearoylphosphatidylcholin Phosphatgepufferte Salzlösung Natriumdodecylsulfat Begriffliche Abkürzungen CHO DSC GUV LUV MLV ROI SCE SUV Ovar des chinesischen Hamsters Dynamische Differenzkalorimetrie Riesige unilamellare Vesikel Große unilamellare Vesikel Multilamellare Vesikel Relevanter Bildausschnitt Schwesterchromatidenaustausch Kleine unilamellare Vesikel 1

8 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS Abkürzungen numerischer Faktoren und Konstanten a a 0 m al Platzbedarf eines Amphiphils Optimale Fläche der polaren Kopfgruppe eines Amphiphils Amplituden der Kugelfunktionen A, A 0 Fläche, Ausgangsfläche B l Theoretische Koeffizienten der Legendre-Polynome c Krümmung, reziproker Radius c 0 Spontane Krümmung C p Spezifische Wärmekapazität d Durchmesser, d l Dicke der Doppelschicht D Diffusionskoeffizient E Energie G, G 0 Gibbs-Energie, Standard Gibbs-Energie H Enthalpie, Standard Enthalpie j Permeationsrate k Boltzmann-Konstante K Gleichgewichtskonstante k c Modul der Biegesteifigkeit Modul der Gauß schen Krümmung kc k s l l c m n n DMPC N p P m Pl q r r 0 R Modul der Dehnung Quantenzahl, anguläres Moment Kritische Länge der unpolaren Ketten eines Amphiphils Quantenzahl Lamellenzahl Stoffmenge DMPC Laufende Nummer Druck Packungsparameter, Verteilungskoeffizient Legendre Polynome Modenzahl Radius Radius einer äquivalenten Sphäre Allgemeine Gaskonstante S, S 0 Entropie, Standard Entropie t Zeit T Temperatur 2

9 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS u U l v V eff X m Yl Relative Deformation Term zur Ermittlung der Biegesteifigkeit Volumen der unpolaren Ketten eines Amphiphils Effektives Volumen Molenbruch Kugelfunktionen α Umsatzvariable β Isobarer thermischer Flächenausdehnungskoeffizient β δ γ γ V η η c Η ϕ ϑ κ Κ λ ν q Ausdehnungskoeffizienten des Membranquerschnitts Chemische Verschiebung Dimensionsloser Flächenüberschuß Grenzflächenspannung Volumenausdehnung Viskosität Exponent Mittlere Krümmung Azimutwinkel Polarwinkel Interaktionskonstante Gauß sche Krümmung Wellenlänge Amplituden der Konturfluktuation der Fouriertransformation µ Chemisches Potential θ Bragg-Winkel σ Laterale Spannung σ σ Effektive Membranspannung, eff τ Relaxationszeit ξ (γ, t) Anguläre Autokorrelationsfunktion 3