A number of water-soluble cationic carriers was evaluated as transfectant. Almost all studied cationic methacrylate/methacrylamide polymers were able to condense the structure of plasmid DNA, yielding polymer/plasmid complexes (polyplexes) with a size of 0.1-0.3 micron and a slightly positive zeta-potential, which can be taken up by cells, e.g., via endocytosis. However, the transfection efficiency and the cytotoxicity of the polymers differed widely: the highest transfection efficiency and cytotoxicity were observed for poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate], p(DMAEMA). Assuming that polyplexes enter cells via endocytosis, p(DMAEMA) apparently has advantageous properties to escape the endosome. A possible explanation is that, due to its average pK(a) value of 7.5, p(DMAEMA) is partially protonated at physiological pH and might behave as a proton sponge. This might cause a disruption of the endosome, which results in the release of both the polyplexes and cytotoxic endosomal/lysosomal enzymes into the cytosol. On the other hand, the analogues of p(DMAEMA) studied here have a higher average pKa value and have, consequently, a higher degree of protonation and a lower buffering capacity. This might be associated with a lower tendency to destabilize the endosome, resulting in both a lower transfection efficiency and a lower cytotoxicity. Furthermore, molecular modeling showed that, of all studied polymers, p(DMAEMA) has the lowest number of interactions with DNA. We therefore hypothesized that the superior transfection efficiency of p(DMAEMA) containing polyplexes can be ascribed to an intrinsic property of p(DMAEMA) to destabilize endosomes combined with an easy dissociation of the polyplex once present in the cytosol and/or the nucleus.

Abstract Synthetic sugar analogs are widely applied in metabolic oligosaccharide engineering (MOE) and as novel drugs to interfere with glycoconjugate biosynthesis. However, mechanistic insights on their exact metabolism in the cell and over time are mostly lacking. We developed sensitive ion-pair UHPLC-QqQ mass spectrometry methodology for analysis of sugar metabolites in organisms and in model cells and identified novel low abundant nucleotide sugars in human cells, such as ADP-glucose and UDP-arabinose, and CMP-sialic acid (CMP-NeuNAc) in Drosophila. Dynamic tracing of propargyloxycarbonyl (Poc) labeled analogs, commonly used for MOE, revealed that ManNPoc is metabolized to both CMP-NeuNPoc and UDP-GlcNPoc. Finally, combined treatment of B16-F10 melanoma cells with antitumor compound 3F ax -NeuNAc and 13 C-labeled GlcNAc revealed that endogenous CMP-NeuNAc levels started to decrease before a subsequent decrease of ManNAc 6-phosphate was observed. This implicates 3F ax -NeuNAc first acts as a substrate for cytosolic CMP-sialic acid synthetase and subsequently its product CMP-3F ax -NeuNAc functions as a feed-back inhibitor for UDP-GlcNAc 2-epimerase/N-acetylmannosamine kinase. Thus, dynamic analysis of sugar metabolites provides key insights into the time-dependent metabolism of synthetic sugars, which is important for the rational design of analogs with optimized effects.