Miniaturized Chemistry: from Synthesis in Nanoliters to Purification and High-Throughput Screening

Eine wichtige Optimierungsmöglichkeit bei der Entwicklung neuer, einfacher zugänglicher Medikamente liegt im
frühen Stadium des Entwicklungsprozesses. Hier werden große Bibliotheken möglicher Wirkstoffkandidaten hergestellt und auf ihre biologische Aktivität getestet. Indem diese Schritte miniaturisiert und parallel durchgeführt werden, können Zeit und teure Reagenzien eingespart werden.
Zusätzlich könnte die Integration aller Schritte auf eine einzelne Plattform eine automatisierte
und hocheffiziente Identifizierung möglicher Wirkstoffanwärter ermöglichen. Eine Lösung
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hierfür bietet der Droplet-Microarray, welcher die Handhabung hunderter nanolitergroßer
Tropfen als abgegrenzte Reservoire ermöglicht.
Diese Arbeit ist in zwei Teile unterteilt. Im ersten Teil wurde eine Plattform für organische
Synthese in Kombination mit enzymatischem Screening und massenspektrometrischer
Charakterisierung auf Basis des Droplet Microarray etabliert. Hierfür wurde eine
Detektionsmethode für das Fluoreszenzsignal des enzymatischen Assays in 1152 100 nL
Tröpfchen entwickelt. Hierbei wurde zum ersten Mal ein miniaturisierter enzymatischer Assay
in den Tropfen durchgeführt und gezeigt, dass eine vorangegangene Amid-Synthese hiermit
kompatibel ist. Dies ermöglicht ein direktes Screening einer miniaturisiert synthetisierten
Amid-Bibliothek über die Enzym-Inhibition mit zusätzlicher Charakterisierung der
synthetisierten Strukturen über massenspektrometrische Analytik.
Außerdem wurde auf der gleichen Plattform eine Hochdurchsatz-Flüssig-Flüssig-Extraktion
zur Trennung von Stoffgemischen in 400 nL pro Tropfen entwickelt. Diese Methode wurde
hinsichtlich der Auftrennung von Stoffgemischen und den Einfluss der
Umgebungsbedingungen mit Hilfe neuer Detektionsmethoden untersucht. Zudem wurde eine
neue Art der Flüssig-Flüssig Extraktion gezeigt, welche durch die hohe Stabilität von
Wassertropfen auf den hydrophilen Flächen beim Eintauchen in eine organische Phase basiert.
Der hohe Grad der Miniaturisierung und Parallelisierung, sowie die Integration einzelner
Arbeitsschritte konnten die Flexibilität des Droplet Microarray demonstrieren. Synthese,
Screening, Trennung und Charakterisierung auf einer Platte vereinend kann der Droplet
Microarray den Beginn der Revolutionierung der Wirkstoffentwicklung darstellen.

One important way to enhance the efficiency and
speed of the drug development pipeline is to accelerate the first step of drug discovery, which consists of synthesizing large libraries of possible drug candidates and screening for their
biological activity. Miniaturization and parallelization of all steps of synthesis and screening
allow us to save time and costly reagents. Integrating all steps on one single platform would
make the whole process even more efficient and would allow a fully automated and seamless
identification of possible hit candidates. As a solution for this challenge, the Droplet Microarray
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was introduced. This platform enables the creation and manipulation of small droplets in
nanoliter size as single reservoirs, separated by hydrophobic borders. Although mainly used for
miniaturized cell culture, some applications of chemical synthesis have been already presented.
This thesis is separated in two main chapters. In the first part, the Droplet Microarray was used
to develop an integrated platform uniting organic synthesis, enzymatic screening and mass spectrometry-
based analytics. Therefore, a readout method was established and adapted for an
array of 18 × 64 100 nL droplets based on a fluorescent signal from an enzymatic assay. This
was the first time of performing this highly miniaturized enzymatic assay on the Droplet
Microarray. Furthermore, the compatibility with an amide-coupling reaction was demonstrated,
to allow the direct screening of a miniaturized synthesized library of amides for enzyme
inhibition, as well as structure identification by mass-spectrometry right after synthesis.
In addition, a new separation method was developed on the same platform by performing high-throughput
liquid-liquid extraction with 400 nL per droplet. The method was investigated in
terms of separation performance and environmental impacts with newly established readout
methods. Furthermore, a completely new liquid-liquid extraction method was developed, which
was enabled by the high stability of an array of aqueous droplets on the hydrophilic spots upon
immersion in an organic solvent.
Highly miniaturized and parallel experiments and the integration of different working steps in
one workflow could demonstrate the versatility of the Droplet Microarray. Uniting synthesis,
screening, separation and characterization on one chip, this combined platform can be the first
step of revolutionizing drug discovery.