Η βαριά μυασθένεια (MG) αποτελεί μια αυτοάνοση νόσο η οποία χαρακτηρίζεται από μυϊκή αδυναμία. Η παθολογία της νόσου προκαλείται από την παρουσία αυτοαντισωμάτων που στοχεύουν πρωτεΐνες της νευρομυϊκής σύναψης (NMJ). Πιο συγκεκριμένα, αντιγονικούς στόχους αποτελούν ο AChR, σε ποσοστό 80-85% των ασθενών, η MuSK σε ποσοστό 5-7% και η LRP4 σε ποσοστό 2-3%. Παρά την εκτεταμένη έρευνα, το ποσοστό των οροαρνητικών μυασθενών (SN-MG), δηλαδή ασθενών που δεν φέρουν αντισώματα για κανένα από τα ήδη γνωστά αντιγόνα, αποτελεί ένα σοβαρό κενό για την πλήρη κατανόηση της νόσου. Το γεγονός αυτό πιθανώς οφείλεται στην ύπαρξη άγνωστων μέχρι σήμερα αντιγόνων ή/και στη χαμηλή ευαισθησία των τεχνικών ανίχνευσης που είναι διαθέσιμες. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την ανάπτυξη ευαίσθητων διαγνωστικών τεχνικών για την ανίχνευση αυτοαντισωμάτων έναντι των αντιγόνων LRP4 και MuSK συνεισφέροντας στη μείωση των SN-MG. Η ανίχνευση των αντι-LRP4 αντισωμάτων πραγματοποιείται από την ευαίσθητη αλλά μόνο ποιοτική CBA τεχνική. Η ανάπτυξη μιας τεχνικής (RIPA, ELISA) για την ποσοτικοποίηση αυτών των αντισωμάτων είναι απαραίτητη για την παρακολούθηση της νόσου. Αντιθέτως, σε ότι αφορά στην MuSK-MG, πολύτιμη είναι η ανάπτυξη μιας ευαίσθητης τεχνικής όπου η MuSK θα βρίσκεται στην φυσική της διαμόρφωση (όπως στο CBA), σε αντίθεση με τις μέχρι σήμερα χρησιμοποιούμενες τεχνικές (RIPA). Με αυτό τον τρόπο θα είναι δυνατός ο εντοπισμός χαμηλής συγκέντρωσης αντι-MuSK αντισωμάτων ή αντισωμάτων που απαιτούν τη σωστά δομημένη πρωτεΐνη για να ανιχνευθούν. Η ανάπτυξη μιας ποσοτικής και ευαίσθητης διαγνωστικής μεθόδου ανίχνευσης αντισωμάτων προϋποθέτει την παραγωγή, απομόνωση και καθαρισμό ενός πολύ καλά δομημένου και ακέραιου αντιγόνου. Η ανθρώπινη LRP4 είναι μια μεγάλη διαμεμβρανική πρωτεΐνη (212 kDa) με πολύπλοκες μεταμεταφραστικές τροποποιήσεις. Η πολυπλοκότητα της συγκεκριμένη πρωτεΐνης καθιστά ιδιαίτερα δύσκολη την παραγωγή της σε ετερόλογα συστήματα έκφρασης. Συνεπώς, επιπλέον από την μοριακή κατασκευή για την έκφραση της διαμεμβρανικής LRP4, πραγματοποιήθηκαν προσπάθειες έκφρασης της εξωκυττάριας περιοχής (ΕΚΠ) της, καθώς και λειτουργικών τμημάτων αυτής. Τα συστήματα έκφρασης που χρησιμοποιήθηκαν επιλέχθηκαν με γνώμονα τους μεταμεταφραστικούς μηχανισμούς που διαθέτουν, καθώς και με την ικανότητα τους να εκφράσουν μεγάλες ποσότητες των επιθυμητών πρωτεϊνών. Πιο συγκεκριμένα, για την έκφραση ολόκληρης της LRP4 (1905aa) καθώς και της LRP4-ΕΚΠ (21-1725aa) πρωτεΐνης, χρησιμοποιήθηκαν τα ευκαρυωτικά συστήματα έκφρασης των κυττάρων εντόμων (Sf9) επιμολυσμένα με βακιλοϊό και των θηλαστικών κυττάρων (HEK293), αντίστοιχα. Τα παραπάνω συστήματα έκφρασης είναι ικανά να εκφράσουν σωστά δομημένες πρωτεΐνες, με πλήρως λειτουργική δομή, αλλά συνήθως σε μικρές ποσότητες. Για την έκφραση των μικρότερων αλλά λειτουργικών τμημάτων της LRP4 χρησιμοποιήθηκαν τα συστήματα έκφρασης του ζυμομύκητα P. pastoris και των βακτηρίων E.Coli (BL21). Χαρακτηριστικό των συγκεκριμένων συστημάτων έκφρασης είναι οι μεγάλες ποσότητες πρωτεΐνης που μπορούν να παράξουν. Υπολείπονται όμως στο επίπεδο μεταμεταφραστικών μηχανισμών καθιστώντας δυσκολότερη την έκφραση πολύπλοκων πρωτεϊνικών μορίων. Τα τμήματα της LRP4 όπου τα επίπεδα έκφρασης και καθαρότητας επέτρεπαν την ανάπτυξη διαγνωστικών εργαλείων, χρησιμοποιήθηκαν με στόχο την ανίχνευση αντι-LRP4 αντισωμάτων. Πιο συγκεκριμένα, το LRP4-ΕΚΠ χρησιμοποιήθηκε ως καθηλωμένο αντιγόνο για την ανάπτυξη έμμεσης ELISA, εφαρμογή της οποίας επιβεβαίωσε μόνο το 14% των θετικών για LRP4 αντισώματα MG ασθενών (προηγουμένως ελεγμένοι με CBA). Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μιας ακόμα έμμεσης ELISA με τα τμήματα της LRP4 (785-1093aa, 1093-1439aa και 1004-1306aa) που εκφράστηκαν στο σύστημα έκφρασης των βακτηρίων ως καθηλωμένα αντιγόνα. Με την τεχνική αυτή επιβεβαιώθηκε πάλι περίπου το 10% των LRP4-MG. Ωστόσο, έπειτα από ιωδίωση του τμήματος 21-737aa της LRP4 που εκφράστηκε στον ζυμομύκητα P. pastoris αναπτύχθηκε μια τεχνική RIPA, η εφαρμογή της οποίας ανίχνευσε το 41,2% των θετικών MG για LRP4 αντισώματα. Συνεπώς η RIPA είναι η περισσότερο ευαίσθητη από τις διαγνωστικές τεχνικές που αναπτύχθηκαν. Οι προσπάθειες για την αύξηση της ευαισθησίας των διαγνωστικών εργαλείων που έχουν κατασκευασθεί συνεχίζονται, με στόχο τον ποσοτικό προσδιορισμό των LRP4 αντισωμάτων σε όλους τους LRP4-MG ασθενείς. Στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε έλεγχος τριπλά αρνητικών ορών μυασθενών με την MuSK-CBA τεχνική που αναπτύχθηκε. Πιο συγκεκριμένα, ελέγχθηκαν 633 SN-MG από 13 χώρες. Από τα αποτελέσματα βρέθηκε πως το 13% των SN-MG φέρει αντισώματα έναντι της πρωτεΐνης MuSK. Η ειδικότητα της μεθόδου επιβεβαιώθηκε έπειτα από έλεγχο ορών υγιών δοτών και ασθενών με άλλες νευρολογικές νόσους εκ των οποίων βρέθηκαν θετικοί σε ποσοστό 1,9% και 5,1% αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι με τη συγκεκριμένη τεχνική ανιχνεύθηκε σημαντικός αριθμός διπλά θετικών ορών (AChR/MuSK και LRP4/MuSK) υποδηλώνοντας πως το συνολικό ποσοστό των πααραπάνω είναι τελικά μεγαλύτερο από αυτό που θεωρείται μέχρι σήμερα. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε συλλογή και εκτίμηση των κλινικών χαρακτηριστικών των MuSK-CBA θετικών ασθενών. Συνοπτικά, το 27% των SN-MG με οφθαλμική MG (i.e. αποκλειστική εμφάνιση οφθαλμικών συμπτωμάτων) φέρουν αντισώματα έναντι της MuSK. Επιπρόσθετα, το 23% των προσφάτως ανιχνευμένων MuSK-MG εμφανίζει υπερπλασία του θύμου. Τα ποσοστά αυτά είναι πολύ υψηλότερα από εκείνα που έχουν περιγραφεί για τους RIPA θετικούς MuSK-MG ασθενείς. Η φαρμακευτική αγωγή που λαμβάνουν οι μυασθενείς εξαρτάται από το είδος των αντισωμάτων που φέρουν. Επιπρόσθετα, η πορεία της MG φαίνεται να σχετίζεται σε πολλές περιπτώσεις με την συγκέντρωση των αντισωμάτων αυτών. Συνεπώς η ανάπτυξη διαγνωστικών εργαλείων όπως αυτών που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή μπορεί να οδηγήσουν σε καλύτερη και γρηγορότερη αντιμετώπιση της νόσου, βελτιώνοντας την ποιότητα ζωής των MG ασθενών. / Myasthenia gravis (MG) is an autoimmune disease characterized by the presence of antibodies against the muscle components of the neuromuscular junction. The main antigen targets are the AChR, MuSK and LRP4. Antibodies against these three antigens are detected in 80-85%, 5-7% and ~2-3% of the MG patients, respectively. Despite the extensive research that has been done in the field of MG, there is a significant number of patients that do not have any detectable antibodies against the known antigens. These patients are known as seronegative MG patients (SN-MG). SN-MG presents a serious gap in the understanding of the etiology and pathogenic mechanisms of the disease. This is likely due to the presence of unknown antigens and / or the lack of sensitivity of the commercially available diagnostic assays, unable to detect antibodies at low concentrations. The aim of this thesis was to develop very sensitive diagnostic assays for the detection of anti-LRP4 and anti-MuSK antibodies among the previously SN-MG patients, for the minimization of SN-MG. The detection of anti-LRP4 antibodies is currently undertaken only by the sensitive but qualitative CBA technique. The development of a quantitative technique (RIPA, ELISA) for the quantification of these antibodies is essential for disease monitoring. Regarding the detection of anti-MuSK antibodies, the development of a more sensitive technique, from those used until now (RIPA), is necessary. Α diagnostic assay in which MuSK will be in native form (as in CBA), will give us the opportunity to detect not only low concentration anti-MuSK antibodies but also antibodies which require the native structured protein. The development of a quantitative and sensitive diagnostic method detecting anti-LRP4 antibodies requires the expression, isolation and purification of an intact antigen (LRP4 in our case). Human LRP4 is a large protein (212 kDa) with many post-transcriptional modifications. Because of the complexity of LRP4, the over-expression of this protein in heterologous expression systems is particularly difficult. For this reason, in addition to the intact LRP4, constructs of the whole extracellular domain (ECD) as well as of functional domains of LRP4-ECD were designed to be expressed in different expression systems. In order to improve the quantity and quality of the expressed recombinant proteins we used various expression systems the selection of which was based on the post-transcription mechanisms available as well as the ability to express large amount of recombinant proteins. More specifically, for the expression of the high complexity intact LRP4 (1905aa) and LRP4-ECD (21-1725aa) proteins, the eukaryotic baculovirus expression system and HEK293 mammalian cells were used, respectively. These expression systems are capable of expressing functional and properly structured proteins but usually in poor yields. On the other hand, for the expression of the smaller and less complex functional domains of LRP4-ECD, the P. pastoris and E. Coli expression systems were used. The latter are able to express large amounts of target proteins but lacking the complicated post-transcription mechanisms. Only few of the designed constructs were expressed at an acceptable level of yield in order to be used for the development of a diagnostic assay. More specifically, efforts were made to develop an indirect ELISA using the LRP4-ECD as an immobilized antigen. Using this technique was achieved the identification of only 14% of the anti-LRP4 positive MG sera (identified by CBA). In addition, the expressed in E. Coli domains of LRP4 (785-1093aa, 1093-1439aa, 1004-1306aa) used for the development of another indirect ELISA, identified the ~10% of LRP4-MG. However, using the expressed in P. pastoris LRP4 domain (21-737aa), a RIPA technique was developed identifying the 41.2% of LRP4-CBA positive MG sera. From the developed assays, RIPA seems to be the most sensitive one. Nevertheless efforts focused on the sensitivity improvements of the developed quantitative assays continue, aiming the quantification of the anti-LRP4 antibodies in LRP4-MG sera. In the second part of this thesis we applied a CBA for the detection of MuSK antibodies undetectable by RIPA. We tested 633 triple-SN-MG patients' sera from 13 countries, and detected 13% of these sera as MuSK-positive. MuSK antibodies were found, at significantly lower frequencies, in 1.9% of healthy controls and 5.1% of patients with other neuroimmune diseases. Interestingly, we also detected a significant number of double positives (AChR/MuSK-MG, LRP4/MuSK-MG), suggesting their overall rate is more frequent than previously described. Moreover, the clinical data of the newly diagnosed MuSK-MG patients were collected and evaluated. Importantly, we found that 27% of SN-MG patients with ocular MG (i.e. MG with only ocular symptoms present) were MuSK antibody positive, whereas 23% of the newly identified MuSK-MG patients had thymic hyperplasia suggesting thymic abnormalities; these percentages are much higher than those described earlier for classical MuSK-MG. The treatment of MG depends on the type of the circulating autoantibodies. Moreover, the course of the disease is associated with the antibody titer. Therefore, the development of diagnostic tools like these mentioned above can lead to a faster and better disease treatment, improving the quality of MG patients’ life.

Η βαριά μυασθένεια (Myasthenia Gravis, MG) είναι μια αυτοάνοση νόσος η οποία χαρακτηρίζεται από διαταραχή στη νευροδιαβίβαση στο επίπεδο της νευρομυϊκής σύναψης. Η διάγνωση της MG βασίζεται στην κλινική συμπτωματολογία η οποία συνεπικουρείται από φαρμακολογικές, ηλεκτροφυσιολογικές και απεικονιστικές δοκιμασίες και επιβεβαιώνεται συνήθως από την ορολογική ανίχνευση αυτοαντισωμάτων έναντι συστατικών της νευρομυϊκής σύναψης. Οι σύγχρονες διαγνωστικές δοκιμασίες είναι συνήθως ικανές προς ανίχνευση της παρουσίας αντισωμάτων στο 85-90% περίπου των μυασθενών με γενικευμένη MG και στο 50% περίπου των ασθενών με οφθαλμική MG. Το κενό αυτό στη διάγνωση της MG δημιουργεί ένα σημαντικό πρόβλημα στις περισσότερες περιπτώσεις που ελέγχονται επειδή ένα αρνητικό αποτέλεσμα (το οποίο είναι το συχνότερο αποτέλεσμα στη συνήθη εργαστηριακή διάγνωση της MG) αφήνει μία ασάφεια σχετικά με την ύπαρξη MG. Πράγματι, ακόμη και ένας πολύ χαμηλός τίτλος θα μπορούσε να είναι επαρκής για να εξηγήσει την παρουσία της μυασθένειας, δεδομένου ότι δεν έχει διαπιστωθεί σημαντική συσχέτιση μεταξύ του τίτλου των αντισωμάτων και της σοβαρότητας της νόσου στον πληθυσμό των ασθενών. Ως εκ τούτου, υπάρχει αυξανόμενη ανάγκη για την ανάπτυξη ιδιαίτερα ευαίσθητων διαγνωστικών μεθόδων, για την αναμφισβήτητη απόδειξη της νόσου. Η πλέον ευαίσθητη διαγνωστική δοκιμασία είναι η ραδιολογική ανοσοκαθίζηση (Radioimmunoprecipitation assay, RIPA) και ο πλέον σημαντικός περιοριστικός παράγων για την ανίχνευση χαμηλού τίτλου αντισωμάτων, είναι η αδυναμία χρήσης μεγάλου όγκου ορού (μέγιστο είναι ~5-20 μl), η οποία θα καθιστούσε αναγκαία την επακόλουθη χρήση υψηλού όγκου αντί-ορού και η οποία θα οδηγούσε σε υπερβολικά μεγάλα άνοσο-ιζήματα, τα οποία με τη σειρά τους συνδέονται με απαράδεκτα επίπεδα μη ειδικού θορύβου υπόβαθρου. Με την ανάπτυξη στην παρούσα μελέτη της RIPA δύο-σταδίων ξεπεράσθηκαν σε μεγάλο βαθμό τα προβλήματα αυτά. Η δοκιμασία αυτή βασίζεται στην ακινητοποίηση του αντιγόνου-στόχου σε ένα αδιάλυτο υπόστρωμα, ακολουθούμενη από την επώαση με μεγάλους όγκους (π.χ. 0,1-1ml) του προς εξέταση ορού και την επακόλουθη απελευθέρωση των προσδεμένων αντισωμάτων με μικρό όγκο διαλύματος χαμηλού pH, τα οποία στη συνέχεια ανιχνεύονται και τιτλοδοτούνται με απλή RIPA με τη χρήση 125I-σημασμένων αντιγόνων. Δηλαδή χρησιμοποιήθηκε η αρχή του καθαρισμού με χρωματογραφία συγγένειας με όχι αυστηρό αλλά με απλό και εύκολο τρόπο, προκειμένου να εμπλουτισθεί ο ορός σε μεγάλο βαθμό στα ειδικά για το αντιγόνο αντισώματα πριν από τον προσδιορισμό και την τιτλοποίηση τους με τις συνήθεις ανοσολογικές δοκιμασίες. Έγινε προσπάθεια ανάπτυξης της προσέγγισης αυτής για την ανίχνευση αντισωμάτων έναντι του AChR και έναντι της MuSK. Έγιναν πολλές προσπάθειες για την εφαρμογή της για την ανίχνευση αντί-AChR αυτοαντισωμάτων. Σημειώθηκε μεγάλη πρόοδος, αλλά απαιτούνται επιπρόσθετες βελτιώσεις για την εφαρμογή της στην διάγνωση ρουτίνας. Για την ανίχνευση των αντί-MuSK αυτοαντισωμάτων με την προσέγγιση αυτή επετεύχθη σημαντικότερη βελτίωση. Η παρούσα συστηματική προσέγγιση απεδείχθη τουλάχιστον 20-50 φορές περισσότερο ευαίσθητη από την κλασική RIPA. Όλοι οι οροί οι οποίοι είχαν χαρακτηρισθεί προηγουμένως ως θετικοί ή αρνητικοί με την κλασική RIPA βρέθηκαν όπως αναμενόταν επίσης θετικοί ή αρνητικοί αντίστοιχα. Επιπλέον όμως μερικοί εκ των ορών οι οποίοι στο παρελθόν είχαν χαρακτηρισθεί ως αμφίβολοι βρέθηκαν σαφώς θετικοί, ή μερικοί άλλοι οι οποίοι είχαν χαρακτηρισθεί ως αρνητικοί αλλά παρουσίαζαν τίτλους ελαφρά υψηλότερους του μηδενός, αλλά όχι στατιστικά σημαντικούς ώστε να αξιολογηθούν ως υψηλότεροι του υπόβαθρου, βρέθηκαν θετικοί, ενώ άλλοι εξακολουθούν να παραμένουν αρνητικοί. Η δοκιμασία που αναπτύξαμε ήταν αρχικά περισσότερο επίπονη από ότι η κλασική RIPA, αλλά με την ανάπτυξη σημαντικών βελτιώσεων, η διαδικασία αυτή έχει απλουστευθεί ώστε να είναι δυνατός ο ταυτόχρονος έλεγχος μεγάλου όγκου (0,1-1 ml) πολλαπλών δειγμάτων ορών και έχει καταστεί δυνατή η χρήση της στην καθημερινή διάγνωση. Η βελτιωμένη αυτή μέθοδος εφαρμόζεται σήμερα για την ανίχνευση αντί-MuSK αντισωμάτων και αποσκοπεί στην ανίχνευση πολύ μικρών ποσοτήτων αυτοαντισωμάτων στον ορό των μυασθενικών οι οποίοι έχουν χαρακτηρισθεί ως οροαρνητικοί ή αμφίβολοι. / Myasthenia Gravis (MG), is an autoimmune disease, characterized by impairment in neurotransmission at the neuromuscular junction level. The diagnosis of MG is based on clinical symptomatology, assisted by pharmacological, electrophysiological and imaging tests and is usually confirmed by serological detection of autoantibodies to components of the neuromuscular junction. The available diagnostic tests are usually able to detect the presence of antibodies in 85-90% of myasthenic patients with generalized MG and 50% of patients with ocular MG. This gap in the diagnosis of MG creates a major problem in most cases during diagnosis because a negative result (which is the most common result in ordinary laboratory diagnosis of MG) leaves an ambiguity regarding the existence of MG. Even a very low titer of specific antibodies, would be sufficient to explain the presence of myasthenia, since there has been no significant correlation between the titer of antibodies and the severity of disease among patients. Therefore, there is increasing need for the development of highly sensitive diagnostic methods for the unambiguous confirmation of the disease. The most sensitive diagnostic test so far, is the radiological immunoprecipitation assay (Radioimmunoprecipitation, RIPA) and the most important limiting factor for detecting low antibody titer, is the inability to use large volumes of serum (maximum is ~ 5- 20 ml), which would require the subsequent use of high-volume of anti-serum, which will result in excessively large immuno-sediments, which in turn are associated with unacceptable levels of nonspecific background values. With the development of two-step RIPA assay in this study we have largely overcome these problems. This test is based on the immobilization of target antigen to an insoluble substrate, followed by incubation with large volume (eg 0,1-1ml) of the test serum and release of bound antibodies with small volume of low pH solution, which are then detected and titrated with simple RIPA using 125I-labeled antigens. We used the principle of enrichment of serum to a large extent in antigen-specific antibodies by affinity purification with no strict but simple and easy way, before the final identification and titration of specific antibodies with standard immunoassays. We attempted the development of this approach in order to detect antibodies against AChR and MuSK. Numerous efforts have been made to implement this method in order to detect AChR autoantibodies, but although there was substantial progress, additional improvements are required for its application in routine diagnosis. With this approach we achieved significant improvement for detection of anti- MuSK autoantibodies. This systematic approach was proved to be at least 20-50 times more sensitive than classical RIPA. All sera which were previously classified as positive or negative with standard RIPA were also positive and negative respectively, as expected. In addition some of the sera which were previously classified as ambiguous were clearly positive and some others who were classified as negative but were slightly higher than zero, but not statistically significant so as to assess them as higher than the background, were positive, while others still remain negative. This newly developed test was originally more laborious than the classical RIPA, but with the development of significant improvements, the process has been simplified and allows the simultaneous testing of large volumes (0,1-1 ml) of multiple serum samples and its use has been made possible in everyday diagnosis. This improved method is currently applied to detect anti-MuSK antibodies and is designed to detect very small amounts of autoantibodies in the serum of myasthenic patients who are classified as seronegative or ambiguous.