The effect of hydrophobic modification by fatty acids on properties of hyaluronic acid

• Thesis title in Czech: Vliv hydrofobní modifikace mastnými kyselinami na vlastnosti hyaluronové kyseliny
• Thesis title in English: The effect of hydrophobic modification by fatty acids on properties of hyaluronic acid
• Key words: hyaluronová kyselina, mastné kyseliny, modifikované polymery, biomedicinální aplikace
• English key words: hyaluronic acid, fatty acids, modified polymers, biomedicinal applications
• Academic year of topic announcement: 2018/2019
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Vohlídal, CSc.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 09.10.2018
• Date of assignment: 09.10.2018

Preliminary scope of work

Tvorba, velikost (počet zabudovaných molekul unimeru) a dynamika agregátů hydrofobizované hyaluronové kyseliny (HA) jsou funkcí chemického složení modifikované HA. Podrobná znalost relací mezi strukturou a a charakteristikami těchto materiálů otevírá strategickou cestu k novým responsivním systémům se specifickými vnitrobuněčnými funkcemi. Výzkum zaměřený na podrobné poznání hydrofobních interakcí ve svých důsledcích vede k dokonalejším formulacím těchto systémů. Je známo, že hydrofobní modifikace ovlivňují dynamiku samo-seskupování (self-assembly) HA založenému na přeměnách expandovaných konformací na konformace svinuté vedoucí k hydrofobnímu kolapsu a tvorbě hydrofobních domén [1].
V navrhované studii budou připravované amfifilní deriváty HA, které umožní systematicky studovat změny jejich fyzikálně-chemických a supramolekulárních vlastností jako funkci hydrofobní modifikace alkylovými řetězci C6 až C18. Pozice substituentů na řetězcích modifikované HA bude dalším sledovaným parametrem, který ovlivňuje vlastnosti těchto materiálů [2].
Strategie řešení projektu spočívá v kontrolovaném roubování řetězců mastných kyselin na páteřní řetězce HA, které bude zaměřené na regulaci celkového počtu postranních alkylových řetězců a jejich distribuci podél řetězců. Studovány budou faktory ovlivňující mechanismus modifikace, zejména distribuci hydrofobních skupin od náhodné ke gradientové. Obsah hydrofobních skupin (stupeň konverze substituce, DS) bude odstupňován cca. takto:10, 20, 40, 60 a 100 %, a sledovány budou korelace mezi distribucí a typem alkylových řetězců na jedné straně a a biologickými a fyzikálně-chemickými vlastnostmi derivátů na straně druhé.[3-5].
Při řešení projektu budou, vedle syntéz, využity zejména následující experimentální metody: viskozimetrie, gelová (stericky vylučovací) chromatografie, spektroskopie NMR, dynamický rozptyl světla a enzymová degradace včetně analýzy vzniklých fragmentů.
[1] Payne WM, Svechkarev D, Kyrychenko A, Mohs AM. The role of hydrophobic modification on hyaluronic acid dynamics and self-assembly. Carbohydr Polym 2018;182:132-41.
[2] Wende FJ, Gohil S, Mojarradi H, Gerfaud T, Nord LI, Karlsson A, et al. Determination of substitution positions in hyaluronic acid hydrogels using NMR and MS based methods. Carbohydrate Polymers 2016;136:1348-57.
[3] Newman MR, Russell SG, Schmitt CS, Marozas IA, Sheu TJ, Puzas JE, et al. Multivalent Presentation of Peptide Targeting Groups Alters Polymer Biodistribution to Target Tissues. Biomacromolecules 2018;19:71-84.
[4] Keizers PHJ, Vanhee C, van den Elzen EMW, de Jong WH, Venhuis BJ, Hodemaekers HM, et al. A high crosslinking grade of hyaluronic acid found in a dermal filler causing adverse effects. J Pharm Biomed Anal 2018;159:173-8.
[5] Rinaudo M. Role of Substituents on the Properties of Some Polysaccharides. Biomacromolecules 2004;5:1155-65.

Preliminary scope of work in English

In hydrophobized hyaluronic acid (HA), the formation and dynamics of aggregation of HA and the number of polymer chains per aggregate particle are a direct result of chemical composition. A precise knowledge of structure and characterization of these materials can also result in strategies for new chemical design of environmentally responsive systems with specific intracellular biological functions. Working toward a better understanding of the most fundamental properties and chemical interactions of hydrophobic moieties will ultimately lead to better formulations. Moreover, the role of hydrophobic modification on hyaluronic acid dynamics and self-assembly was found to influence their structural changes from extended into coiled conformations driven by hydrophobic collapse and the formation of hydrophobic domains [1].
In this work, we will systematically prepare amphiphilic hyaluronic acid derivatives allowing us to study changes of their physicochemical properties and supramolecular behavior as a function of hydrophobic modification with alkyl chains of varying length (C6-18). Moreover, the substituent position on the polysaccharide is another parameter that can influence material properties [2].
The main strategy focuses on the grafting of the hydrophobic moieties along the HA backbone to tune the hydrophobic content of the amphiphilic modified HA via the number of grafted molecules in a reaction effected by variating parameters. In this fashion, the factors that identify the mechanism of grafting in the polymer will be studied (random versus gradient). Thus, the architecture of the polymer will be altered. Furthermore, HA will be chemically modified in a broad range of the degree of substitution (DS from 10,20,40,60,100%) to find a structural correlation between the distribution of the alkyl chains and the properties of resulted material: biological [3,4] and chemical [5].
We will support our findings through experimental analysis with viscosity and solubility behavior (determined by rheology), size of particles (SEC-MALLS, dynamic light scattering (DLS)), and enzymatic degradation/analysis of fragments. Furthermore, we will observe and describe the relationship between the length of the alkyl chain introduced to HA and the formation of hydrophobic domains, which affects the potential for use of such amphiphilic polymers.

[1] Payne WM, Svechkarev D, Kyrychenko A, Mohs AM. The role of hydrophobic modification on hyaluronic acid dynamics and self-assembly. Carbohydr Polym 2018;182:132-41.
[2] Wende FJ, Gohil S, Mojarradi H, Gerfaud T, Nord LI, Karlsson A, et al. Determination of substitution positions in hyaluronic acid hydrogels using NMR and MS based methods. Carbohydrate Polymers 2016;136:1348-57.
[3] Newman MR, Russell SG, Schmitt CS, Marozas IA, Sheu TJ, Puzas JE, et al. Multivalent Presentation of Peptide Targeting Groups Alters Polymer Biodistribution to Target Tissues. Biomacromolecules 2018;19:71-84.
[4] Keizers PHJ, Vanhee C, van den Elzen EMW, de Jong WH, Venhuis BJ, Hodemaekers HM, et al. A high crosslinking grade of hyaluronic acid found in a dermal filler causing adverse effects. J Pharm Biomed Anal 2018;159:173-8.
[5] Rinaudo M. Role of Substituents on the Properties of Some Polysaccharides. Biomacromolecules 2004;5:1155-65.