Serum Albumin: Binding and Transport of Pharmaceuticals and Functional Differences Derived from Divergent Evolution Characterized by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy

• Applicant: Professor Dr. Dariush Hinderberger
• Subject Area: Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2014 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 257288979

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde in sehr großer Breite, in mehreren Bereichen der Erforschung von Albumin und Modellsystemen, die auf Albumin basieren, oder inspiriert wurden durch die Eigenschaft des Albumins, amphiphile oder hydrophobe Substanzen aufzunehmen, erhebliche Fortschritte im Verständnis erreicht. Exemplarisch wurde die Ligandenbindung von 23 pharmazeutisch aktiven Molekülen an Albumin vom Menschen (HSA) erforscht und eine analytisch-chemisch nutzbare Methode der Untersuchung von Albumin-Ligand-Wechselwirkungen entwickelt, die auf einfach durchzuführenden chemischen Modifikationen (Veresterungen) und einfacher continuous wave (CW) EPR Spektroskopie und Analyse mittels des Scatchard-Verfahrens basiert. Diese Methode liefert zum Teil robustere Ergebnisse als oft genutzte kalorimetrische Verfahren und konnte auch auf über 65 Derivate des Betablockers Esmolol ausgeweitet werden, die Ligandenbindungsaffinitäten konnten so über drei Größenordnungen eingestellt werden. Außerdem wurden ähnlich viele neuartige Spinsonden, die auf einem Phenol-Grundgerüst basieren, synthetisiert werden, die für supramolekulare Wechselwirkungen maßgeschneidert werden können. In einem weiteren Aspekt der Albuminforschung wurden mittels CW EPR und Puls EPR Methoden (insbesondere Abstandmessungen mittels double electron-electron resonance, DEER), in einem gemeinsamen Spin Probing und Spin Labeling Ansatz die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von HSA im pH-Bereich von 0.7 bis 13 untersucht und über die Interaktion mit Liganden sowie die Kompaktheit des Albumins neue Aspekte aller bekannnten Zustände von HSA untersucht werden. Der entwickelte Ansatz wurde ebenso auf Albumin-basierte sowie Albumin-inspirierte Kern-Schale Polymersysteme übertragen und hat so das erstaunlich komplexe Zustandsprofil dieser Systeme offenlegen können. Außerdem konnten durch den EPR-spektroskopischen Forschungsansatz die Albumine verschiedener Spezies (Rinde, Schaf, Ziege, Katze, Mensch) in Abhängigkeit von ihrer Aminosäuresequenz miteinander verglichen werden und eine sehr hohe strukturelle Plastizität insbesondere im menschlichen Albumin gefunden werden. Insgesamt konnten so erhebliche Fortschritte im Verständnis und der potentiellen Nutzung von Albuminen verschiedener Spezies gemacht werden und EPR Spektroskopie als sehr vielseitige Methode in der Erforschung von Blut-Transportproteinen wie Albumin und vergleichbaren synthetischen Polymersystemen etabliert werden.

Publications

• Characterizing active pharmaceutical ingredient-binding to Human Serum Albumin by spin-labeling and EPR spectroscopy. Chem. Eur. J., 22, 12825-12838 (2016)
  Till Hauenschild, Jörg Reichenwallner, Volker Enkelmann, Dariush Hinderberger
  
• Tunable Dynamic Hydrophobic Attachment of Guest Molecules in Amphiphilic Core-Shell Polymers. Polym. Chem., 7, 5783-5798 (2016)
  Jörg Reichenwallner, Anja Thomas, Lutz Nuhn, Tobias Johann, Annette Meister, Holger Frey, Dariush Hinderberger
  
• Probing the nanoscopic thermodynamic fingerprint of paramagnetic ligands interacting with amphiphilic macromolecules. Polymers, 9(8), 324 (2017)
  Jörg Reichenwallner, Christian Schwieger, Dariush Hinderberger
  
• Exploring the pH-induced functional phase space of human serum albumin by EPR spectroscopy. Magnetochemistry, 4, 47 (2018)
  Jörg Reichenwallner, Marie-Therese Oehmichen, Christian E. H. Schmelzer, Andreas Kerth, Dariush Hinderberger
  
• Serum Albumin Hydrogels in Broad pH and Temperature Ranges: Characterization of Their Self- Assembled Structures, Nanoscopic and Macroscopic Properties. Biomater. Sci., 6, 478-492 (2018)
  Seyed Hamidreza Arabi, Behdad Aghelnejad, Christian Schwieger, Annette Meister, Andreas Kerth, Dariush Hinderberger
  
• A platform of phenol-based nitroxide radicals as “EPR toolbox” in supramolecular and click chemistry. ChemPlusChem, 84, 43-51 (2019)
  Till Hauenschild, Dariush Hinderberger
  
• Fatty Acid Triangulation in Albumins Using a Landmark Spin Label. Isr. J. Chem.
  Jörg Reichenwallner, Till Hauenschild, Christian E. H. Schmelzer, Miriam Hülsmann, Adelheid Godt, Dariush Hinderberger
  
• Ligand-Binding Cooperativity Effects in Polymer-Protein Conjugation. Biomacromolecules, 20, 1118-1131 (2019)
  Jörg Reichenwallner, Anja Thomas, Tobias Steinbach, Jana Eisermann, Christian E. H. Schmelzer, Frederik Wurm, Dariush Hinderberger