Mit zunehmender Tensidkettenlänge nimmt die cmc des Tensids ab und der Verteilungskoeffizient des Tensids zwischen Mizelle und Wasser P m/aq

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1 Zusammenfassung 4 Die physikochemische Charakterisierung der homologen kationischen enside D- AB, AB und CAB sowie deren Wechselwirkung mit Modellmembranen, bestehend aus DMPC und DMPG, erfolgte sowohl in der Volumenphase als auch an der W/L-Grenzfläche mit Hilfe der Kombination verschiedener Messmethoden. In der Volumenphase wurde zur Untersuchung der hermodynamik der Mizellisierung von DAB, AB und CAB die IC verwendet. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die Interpretation der Verteilungs- und Solubilisierungsergebnisse der enside mit den Phospholipidvesikeln aus DMPC bzw. DMPG. Mit der IC wurde ein detailliertes thermodynamisches Profil der Demizellisierung der enside in Abhängigkeit von der emperatur, der ensidkettenlänge und des Ionengehaltes im Lösungsmittel erstellt, wobei folgende Ergebnisse ermittelt wurden: Mit zunehmender ensidkettenlänge nimmt die cmc des ensids ab und der Verteilungskoeffizient des ensids zwischen Mizelle und Wasser P m/aq wird größer. Die positiven Freien Enthalpie-Werte der Demizellisierung G demiz nehmen wie die Demizellsierungsenthalpie H demiz zu und die negativen S demiz -Werte nehmen vom DAB zum CAB ab. Mit zunehmender emperatur wird die cmc des jeweiligen ensids ab einer emperatur von 30 C größer und die entsprechenden P m/aq -Werte nehmen ab. Gleichzeitig sind H demiz und S demiz stark temperaturabhängig und vergrößern sich mit zunehmender emperatur während G demiz nur gering temperaturabhängig ist. Mit dem NaCl-Zusatz im Lösungsmittel wird die cmc der ionischen enside kleiner und P m/aq damit größer. Die positiven G demiz -Werte nehmen zu und H demiz sowie S demiz nehmen ab.

2 112 KAPIEL 4. ZUSAMMENFASSUNG Die Änderung der Wärmekapazität der enside beim ransfer aus der Mizelle in eine wässrige Umgebung ergibt positive Werte und variiert für DAB, AB und CAB zwischen J /mol K. Die Berechnung der thermodynamischen Parameter der Demizellisierung erfolgte auf der Grundlage des mass action - sowie des Pseudophasenseparations -Modells. Beide Methoden ergaben eine zufriedenstellende Übereinstimmung der Ergebnisse. Die Aggregationszahl N wurde für DAB, AB und CAB genau an der cmc der enside ermittelt und ergab Werte zwischen unabhängig von der ensidkettenlänge und emperatur. Mit der IC konnte des Weiteren temperaturabhängig die Verteilung der kationischen enside DAB, AB, CAB und DDAB zwischen wässriger- und Vesikelphase bestehend aus DMPC, DMPG bzw. DMPC/DMPG (1:1) charakterisiert werden: Die intrinsischen Verteilungskoeffizienten (P b/i ) nehmen mit zunehmender Länge des hydrophoben Molekülanteils im ensid um eine Größenordnung zu: DAB (10 5 )<AB (10 6 )<CAB(10 7 ) DDAB (10 7 ). Die P b/i -Werte der kationischen enside weisen keine deutliche Abhängigkeit von der Lipidkopfgruppe auf, sodass keine spezifischen Wechselwirkungen zwischen den Alkyltrimethylammoniumbromiden und Lipiden in Betracht gezogen werden können. Die korrespondierenden apparenten Verteilungskoeffizienten (P b/aq ) sind bei den ensid-dmpc-systemen aufgrund der elektrostatischen Abstoßung ca. zehnfach kleiner und bei den ensid-dmpg-systemen aufgrund der elektrostatischen Anziehung ca. zehnfach größer als die entsprechenden intrinsischen Verteilungskoeffizienten. Die ransferenthalpien des ensids von Wasser in die Vesikelphase ( H b/aq ) sind negativ und nehmen mit emperaturerhöhung nur gering ab. Die Freien ransferenthalpien des ensids ( G b/i aq ) sind negativ, gering abnehmend mit emperaturerhöhung und stark abnehmend mit ensidkettenverlängerung. Die ransferentropiewerte ( S b/i aq ) sind positiv, gering abnehmend mit emperaturerhöhung und stark zunehmend mit ensidkettenverlängerung. Die o. g. ranferenergien sind kaum von der PL-Kopfgruppenladung abhängig. Anhand der Solubilisierungsstudien der enside DAB, AB und CAB mit DMPC-, DMPG und DMPC/DMPG-Vesikel bei 30 C und 60 C in 0.1 M NaCl (der LC-Phase der PL) konnten die Phasendiagramme erstellt werden, deren Analyse zu folgenden Ergebnissen führt: Aus den Werten der molaren ensid-lipid-verhältnisse der Mischaggregate an der Sättigungs- und Solubilisierungsphasengrenze R b,sat und R m,sol ist

3 113 erkennbar, dass R b,sat und R m,sol von der Lipidart abhängig sind. Mit dem anionischen Lipid DMPG sind die Werte doppelt so groß wie mit DMPC. Die DMPG-Mischvesikel und Mischmizellen weisen demnach an den Phasengrenzen die doppelte Anzahl an ensidmoleküle als die DMPC-Mischaggregate auf. R b,sat und R m,sol der DMPG-Mischaggregate sind unabhängig von der emperatur und ensidart und nehmen ausschließlich Werte >1 an, während die DMPC-Mischaggregate Werte <1 aufweisen (Mischvesikel aus DMPC/ DMPG 1:1 nehmen eine Zwischenstellung ein), d. h. dass vor der Solubilisierung ein Überschuss an kationischen ensidmolekülen in den DMPG- Mischaggregaten vorhanden ist. Die Lage der Phasengrenzen ist stark temperaturabhängig. Bei 30 C liegen die Phasengrenzen bei niedrigeren ensidkonzentrationen als bei 60 C, d. h. dass bei niedrigeren emperaturen weniger ensid zur Sättigung und Solubilisierung der PL-Vesikel nötig ist. Mit zunehmender ensidkettenlänge verschieben sich die Phasengrenzen zu niedrigeren ensidkonzentrationen verbunden mit der cmc-erniedrigung der reinen enside vom DAB zum CAB. Mit zunehmender ensidkettenlänge steigt die Solubilisierungseffizienz des ensides, wobei diese Abhängigkeit nicht linear, sondern der Unterschied zwischen AB und CAB nur gering ist. Die Verteilungskoeffizienten des ensides bzw. PL zwischen den beiden Mischaggregaten bestätigen die einfachere Solubilisierbarkeit der DMPC-Vesikel im Vergleich zu den DMPG-Vesikeln aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkungen, die zunehmende Solubilisierungseffizienz vom DAB zum CAB und eine geringere Solubilisierungseffizienz der enside bei 60 C als bei 30 C. Die Verteilungskoeffizienten der enside zwischen den Vesikeln und der wässrigen Phase variiern in einem Größenbereich von 10 3 und 10 4 und weisen größere Werte bei niedrigeren emperaturen auf. Sie zeigen signifikant größere Werte vom DAB zum CAB aufgrund der zunehmenden Hydrophobie des ensidmoleküls. Am Beispiel des DAB/DMPC-Systems wurde der vesikuläre Bereich des Enthalpogramms bei 60 C quantitativ erfasst. Die aus der Kurvenanpassung der experimentell ermittelten Werte des Verteilungskoeffizienten (P b/i = ) und der ransferenthalpie von DAB in DMPC-Vesikel ( H b/aq =-17.2 kj /mol) stimmen gut mit den Werten der IC-Verteilungsstudien ( bzw kj /mol) überein. Die DLS-Untersuchungen in der Volumenphase bestätigten die mit IC ermittelten Solubilisierungsphasengrenzen und führten zu folgenden zusätzlichen Informationen:

4 114 KAPIEL 4. ZUSAMMENFASSUNG Aufgrund der starken Hydratation der MV infolge der hohen Oberflächenladungsdichte kommt es zu einem starken Anschwellen der Vesikel im MV- Bereich vor der Sättigungsphasengrenze bis zu einem Radius von 250 nm. Dies konnte unabhängig vom ensid-lipidsystem und der emperatur beobachtet werden. Der Vesikel-Mizell-Übergang ist durch eine gleichzeitige Bildung von wurmartigen Superaggregaten gekennzeichnet. Mit der DSC wurde der Einfluss des kationischen ensideinbaus in die PL-Vesikel auf die Phasenumwandlungstemperaturen und Umwandlungsenthalpie untersucht, wobei folgende Ergebnisse ermittelt wurden: DAB verursacht, eingebaut in den untersuchten PL-Vesikeln, eine Destabilisierung der Gelphase, was an der Verschiebung von m zu niedrigeren emperaturen erkennbar ist. AB führt bei geringen ensidkonzentrationen zu einer m -Verschiebung zu höheren und bei großen ensidkonzentrationen zu niedrigeren emperaturen. CAB verursacht in allen Konzentrationsbereichen eine Verschiebung von m zu höheren emperaturen, d. h. die Gelphase ist stark stabilisiert. Die DMPG-ensidgemische weisen bei einem molaren Verhältnis von ensid/lipid 2:1 eine deutliche Vergrößerung von U H aufgrund der Bildung eines Eutektikums auf. Die Untersuchungen in der Volumenphase wurden mit Hilfe von BAM- und IRRAS- Untersuchungen an der W/L-Grenzfläche ergänzt. Durch die Kombination der Filmwaagetechnik mit IRRAS konnten sowohl die Gibbs-Adsorptionsisothermen der kationischen enside als auch der Einbau der enside in die PL-Monolayer anhand der Analyse der antisymmetrischen und symmetrischen Methylen-Streckschwingungsbanden ν(cd 2 ) und ν(ch 2 ) sowie der Wasserbande ν(oh) qualitativ und quantitativ charakterisiert werden: Die Untersuchungen erlaubten die Berechnung der Gibbsschen-Adsorptionsisothermen und Druck-Flächen-Isothermen der homologen enside. Die cmc-kennwerte der enside an der W/L-Grenzfläche stimmen mit den IC-Ergebnissen überein. Die Gibbs-Adsorptionsenthalpie der enside an der W/L-Grenzfläche weist annähernd übereinstimmende Werte mit den korrespondierenden Gibbs-Mizellisierungsenthalpie des jeweiligen ensids in der Volumenphase auf. Es wurden die Verteilungskoeffizienten der enside P IRRAS in die PL-Monolayer, die am Bilayer-Monolayer-Equivalenzdruck (π=30 35 mn /m) für DAB in DMPC und für DAB in DMPG betragen, ermittelt.

5 115 Die P IRRAS -Werte sind zwischen DMPG-Monolayer und Wasser im Vergleich zu den DMPC-Monolayern vergrößert aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen der anionischen PL- und der kationischen ensid-kopfgruppe. Die P IRRAS -Werte vergrößern sich jeweils um eine Größenordnung mit zunehmender ensidkettenlänge vom DAB (10 4 ), AB (10 5 ), CAB (10 6 ) zum DDAB (10 7 ). Die Auswertung der OH-Banden der IRRA-Spektren ermöglicht im begrenzten Rahmen qualitative Aussagen über die Orientierung der ensidmoleküle in der W/L-Grenzfläche während der Adsorption und während des Einbaus in die Lipidmonoschichten Die DMPC-ensid-Monolayer konnten auf kleinere Molekülflächen als die DMPG-ensid-Monolayer komprimiert werden, was durch die vermehrte Einlagerung der ensidmoleküle in die DMPG-Monoschicht verursacht wird und qualitativ mit den Ergebnissen in der Volumenphase übereinstimmt. Mit zunehmender ensidkettenlänge sind die Isothermen zu größeren Molekülflächen aufgrund der zunehmenden hydrophoben Wechselwirkungen zwischen ensid und PL verschoben. Die BAM-Aufnahmen der PL-ensid-Monolayer zeigen während der gesamten Kompression ein Auftreten von Mehrphasengebieten eventuell aufgrund der Bildung von tensidreichen und lipidreichen Domänen innerhalb der PL- Schicht. Durch die Kombination verschiedener echniken ist es gelungen, die physikochemischen Eigenschaften homologer kationischer enside sowohl in der Volumenphase als auch an der W/L-Grenzschicht zu charakterisieren. Diese Studien dienen als Grundlage für die systematischen Untersuchungen des Einbaus dieser enside in Modellmembranen, bestehend aus DMPC, DMPG und DMPC/DMPG (1:1), die, basierend auf der Kombination von kalorimetrischen und spektroskopischen Methoden, erstmalig ist. Es konnte gezeigt werden, dass die enside in Abhängigkeit ihrer ensidkettenlänge stark variierende Inkoporations-und Lyseeigenschaften der Lipidaggregate aufweisen. Die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den kationischen ensiden und den zwitterionischen (Abstoßung) sowie anionischen (Abstoßung) PL-Aggregaten sind trotz überschüssigem Elektrolytgehalt im Lösungsmittel wirksam. Es konnte ein verstärkter ensideinbau in DMPG-Modellmembranen im Vergleich zu den aus dem zwitterionischen Referenzphospholipid DMPC bestehenden Modellmembranen sowohl in der Volumenphase als auch an der W/L- Grenzfläche nachgewiesen werden.

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