TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand) est une protéine anti-tumorale capable de se lier spécifiquement aux récepteurs agonistes de mort (TRAIL-Rl ou DR4 et TRAIL-R2 ou DR5) des cellules cancéreuses et d'induire leur apoptose sans être toxique pour les cellules saines. Grâce à leurs propriétés exceptionnelles, notamment leur biocompatibilité, les nanotubes de carbone et surtout les SWCNTSs sont utilisés dans un large éventail d'applications et sont considérés très prometteurs pour révolutionner la thérapie anticancéreuse en nanomédecine. Les SWCNTSs sont connus par leur diffusion rapide dans un milieu aqueux tel que le sang, ouvrant la voie de développement de nouveaux nanovecteurs de médicaments. L'objectif principal de nos travaux de thèse a consisté à fonctionnaliser TRAIL sur des SWCNTSs pour mimer sa fonction membranaire en induisant une forte agrégation des récepteurs et déclencher l'apoptose (mort cellulaire programmée). Dans un premier temps, la fonctionnalisation des SWCNTSs avec TRAIL a été réalisée: adsorption non covalente des molécules de PSE sur les nanotubes via 1t-1t stacking, puis greffage du TRAIL au complexe SWCNTS-PSE pour former le nanovecteur (nommé NPT). Ensuite, nous avons caractérisé notre NPT par différentes méthodes (RAMAN, XPS, IR, MET, STEM ... ) afin d'estimer le taux de greffage du TRAIL sur le NPT, qui était environ de 80%. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les paramètres thermodynamiques tels que le pH et la température du NPT en comparaison avec TRAIL seul par une approche chromatographique d'affinité (CHLP). Les résultats obtenus montrent une meilleure affinité du nanovecteur par rapport à TRAIL seul avec le récepteur TRAIL-R2 immobilisé sur la colonne chromatographique. En outre, des calculs de docking ont montré également que le complexe NPT couplé aux homotrimères de TRAIL est le plus stable une fois docké au récepteur TRAIL-R2. Ainsi, nous avons montré que les interactions de type Van der Waals et des liaisons hydrogène régissent l'association NPT-DR5 pour un pH supérieur à 7,4 (comme pour TRAIL seul). Enfin, notre nanovecteur s'est avéré plus efficace que TRAIL seul dans des différents tests menés in vitro sur des plusieurs types de lignées tumorales. Le NPT a permis une augmentation du potentiel pro­apoptotique de TRAIL avec un gain de fonction apoptotique estimé entre 10-20 fois par rapport à celui obtenu avec TRAIL seul. Dans ce travail, nous fournissons ainsi une preuve de concept que les nanovecteurs basés sur la fonctionnalisation du TRAIL avec les SWCNTSs peuvent être utiles pour les futurs traitements anti-cancéreux en nanomédecine. / TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand) is a protein involved in immune anti-tumor surveillance. This cytokine is able to bound specifically to agonist death receptors (TRAIL-Rl or DR4 and TRAIL-R2 or DR5) of cancer cells, inducing apoptosis without being taxie to healthy cells. Thanks to their exceptional properties such as biocompatibility, carbon nanotubes and especially single-walled carbon nanotubes (SWCNTSs) are used in a wide range of applications and are considered to be very promising for cancer therapy in nanomedicine. The SWCNTSs are known to rapidly diffuse in aqueous media such as blood, opening the way for the development of new drug nanovectors or nanocarriers. The main purpose of this work is to functionalize SWCNTSs with TRAIL to mimic the membrane function of TRAIL by inducing a strong aggregation of death receptors and then induce apoptosis. First of all, the choice of SWCNTS functionalization with TRAIL was considered the first key in this thesis: non-covalent adsorption of PSE molecules on the nanotubes via 1t-1t stacking and TRAIL was next attached to a SWCNTS-PSE to form our nanovector, called NPT. Then, the NPT was characterized by various methods (Raman, XPS, IR, TEM, STEM, ... ) in order to estimate the grafted degree of TRAIL on the NPT surface (about 80%). Secondly, we investigated the ef:fects of the thermodynamic parameters such as pH and temperature on NPT versus TRAIL by a chromatographie approach (HPLC). The results showed a better affinity for NPT compared to TRAIL alone with the TRAIL-R2 receptor immobilized on the chromatographie colurnn. In addition, docking calculations have also shown that the NPT complex coupled to TRAIL homotrimers is the most stable when docked to DR5. Thus, we have demonstrated that Van der Waals interactions and hydrogen bonds govem the NPT-DR5 association for pH > 7.4 (as for TRAIL). Finally, our TRAIL-based SWCNTSs nanovectors (NPT) proved to be more efficient than TRAIL alone towards death receptors in triggering cancer cell killing in vitro. These NPTs increased the pro-apoptotic potential of TRAIL by nearly 10 to 20-fold in different Human tumor cell lines tested including colorectal, non-small cell lung cancer, or hepatocarcinomas. We provide in this work a proof of concept that nanovectors based on SWCNTS functionalization with TRAIL may be useful for future cancer treatments in nanomedicine.

Hemofili A är en X-länkad ärftlig sjukdom som påverkar blodkoagulationen och beror på avsaknaden eller bristen på proteinet faktor VIII (fVIII). Nuwiq® är en rekombinant fVIII B- domän borttagen produkt från Octapharma AB som behandlar hemofili A och produceras med en cellinje av mänskliga njurceller från embryon. FVIII är 170 kDa som hel-längds protein, men klyvs till 90 kDa och 80 kDa kedjor innan de släpps ut i kroppen för cirkulation. Enligt reglementen måste 170 kDa kedjan vara under en specifik gräns under odlings processen för den farmaceutiska produkten och den relative distributionen av de tre olika isoformerna behövs mätas. Idag upparbetas proverna och analyseras med en droppkolon och reverse-phase high performance liquid chromatography (HPLC). Droppkolonen är en tidskrävande process och målet med detta projekt var att hitta en metod som kan förkorta tiden för detta analyssteg. I denna studie ska möjligheterna utvärderas för att använda Western Blot metod och att använda ett ÄKTA pure system för att rena proverna innan de analyseras med HPLC. Resultatet från Western Blot visa liknades resultat som HPLC analysen gör och en linjäritets, noggrannhets och precisions studie utfördes. Linjäritets studien resulterade i att provkoncentrationen bestämdes till 2 IU/mL. Noggrannhets testerna visade att det var liknande resultat men med mindre skillnader mellan de två metoderna och viss olikhet är förväntad då HPLC analyserar med avseende på hydrofobisitet och Western Blot använder antikroppar och kemiluminiscens. En mer omfattande precisions studie behövs innan några beslut kan tas angående en ändring av analysmetod. Western Blot visade lovande resultat och skulle förkorta metodtiden med ungefär 1-2 dagar. De första ÄKTA reningarna med odlingsprover visade inget protein i eluatet, men med en högre protein mängd pålagd på kolonen från ett prov med mindre cell rester hade eluatet en bra mängd protein i sig. Analysen av eluatet med Western Blot visade goda resultat. Fortsatta tester behövs göras med ÄKTA reningen för att metoden ska kunna betrakta det som en möjlig metod att använda på laboratoriet för att analysera faktor VIII protein. / Hemophilia A is a X-linked hereditary disease that effects the coagulation of the blood and is due to the absence or deficiency of the protein factor VIII (FVIII). Nuwiq® is a recombinant FVIII B-domain deleted product from Octapharma AB that treats hemophilia A and are produced with human embryonic kidney cell lines. The fVIII protein is 170 kDa full length but are cleaved into a 90 kDa chain and an 80 kDa chain before release into circulation in the body. Due to regulations the 170 kDa chain needs to be below a certain limit during the cultivation process of the pharmaceutical product and the relative distribution between the three isoforms needs to be measured. Today the sample is prepared and analysed through a drop column and reverse-phase high performance liquid chromatography (HPLC). The drop column is a time-consuming process and the aim for this project was to find a method that can reduce the time for this analysis step. This study investigated the possibilities to use Western Blot as a method and to use an ÄKTA pure system for the preparation of the samples and then analyse with HPLC. Results from Western Blot showed similar results as the HPLC analysis and a linearity, accuracy and precision study were performed. The linearity study showed promising results for a sample concentration of 2 IU/mL to be used. Accuracy testing showed similar but slightly different results between the two methods and some differences are expected since the HPLC analyses on hydrophobicity and Western Blot uses antibodies and chemiluminescence. There would need to be a more extensive precision study before any decision could be made about changing the analysis method. Western Blot showed promising results and would shorten the method time with around 1-2 days. The first ÄKTA purification runs with cultivation samples did not show any protein levels in the eluate, but with a higher protein amount put on the column from a sample with less cell debris the eluate had good amount of protein in it. The analysis of the eluate with Western Blot showed good results. Further testing of the ÄKTA purific tion is needed to consider it an option to use at the laboratory for analysis of factor VIII protein.

Integrationen av artificiell intelligens (AI) i bioprocessapplikationer har framträtt som en transformerande metod inom bioteknik- och läkemedelsindustrin, och lovar betydande framsteg i effektivitet, verkan och hållbarhet. Genom att utnyttja avancerade algoritmer, såsom djupinlärning och förstärkningsinlärning, kan AI-system förutsäga och generera nya ligandstrukturer med hög affinitet för sina mål, såsom monoklonala antikroppar (mAbs) i detta projekt. Detta projekt syftar till att utvärdera potentialen hos AI-genererade affinitetsproteiner och validera de datorsimulerade förutsägelserna genom att undersöka bindningseffektiviteten och stabiliteten hos dessa ligander under verkliga förhållanden. Flera våtlabbstekniker användes för att uttrycka och rena de AI-designade proteinerna. Affinitetskromatografi var en teknik som användes för rening, följt av ytplasmonresonans (Biacore) för att studera interaktionen mellan de genererade affinitetsproteinerna och mAbs. Analyseresultat från SDS-PAGE och masspektrometri visade att de flesta proteiner kunde renas med hjälp av affinitetskromatografi. Emellertid visade karaktärisering med Biacore att de flesta proteiner inte interagerade med mAbs, förutom ett designat protein. Cirkulär dikroism (CD) spektrometri som användes för att visualisera sekundärstrukturen i proteiner visade att de flesta proteiner var veckade och bibehöll alfahelixar och betaflak jämfört med det vilda typen proteinet. Sammanfattningsvis ger denna forskning värdefulla insikter i utmaningarna vid utvärdering och karaktärisering av AI-genererade proteiner. Ytterligare forskningsinsatser bör fokusera på att förfina experimentella förhållanden och visualisera sekundärstrukturerna hos de genererade proteinerna för en djupare förståelse av deras stabilitetsproblem. / The integration of artificial intelligence (AI) into bioprocess applications has emerged as a transformative approach in the biotechnology and pharmaceutical industries, promising significant advancements in efficiency, efficacy, and sustainability. By leveraging advanced algorithms, such as deep learning and reinforcement learning, AI systems can predict and generate novel ligand structures with high affinity for their targets, such as monoclonal antibodies(mAbs) in this project. This project aims to evaluate the potential of AI-generated affinity protein ligands and validate the computational predictions by examining the binding efficiency and stability of these ligands in real-world conditions. Several wet lab techniques were employed to express and purify the AI-designed proteins. Affinity chromatography was one technique used for purification, followed by surface plasmon resonance (Biacore) to study the interaction between the generated affinity proteins and mAbs. Analysis results from SDS-PAGE and mass spectrometry showed that most proteins could be purified using affinity chromatography. However, characterization using Biacore revealed that most proteins did not interact with mAbs, except for one designed protein. Circular dichroism (CD) spectrometry used to visualize the secondary structure in proteins showed that most proteins were folded and retained alpha helices and beta sheets when compared to the wild type protein. In conclusion, this research provides valuable insights into the challenges in evaluating and characterizing AI-generated proteins. Further research efforts should focus on refining experimental conditions and visualizing the secondary structures of the generated proteins for a more in-depth understanding of their stability issues.

Der Sprengstoff PETN ist äußerst schwer zu detektieren. Ein verbesserter anti-PETN-Antikörper wurde durch Anwendung des Bioisosterie-Konzepts entwickelt. Diese polyklonalen IgGs sind sehr selektiv und sensitiv. Die Nachweisgrenze des ELISAs beträgt 0,15 µg/L. Der Messbereich des Immunoassays liegt zwischen 1 und 1000 µg/L. Die Antikörper sind recht pH-stabil als auch robust gegen Lösungsmittelzusätze. Für die Umweltanalytik von TNT wurde eine HPLC-kompatible Affinitätssäule mit porösem Glas als Trägermaterial hergestellt. Um die anti-TNT-Antikörper selektiv aus den TNT-Seren zu isolieren, wurde eine Trennung an einer Dinitrophenyl-Affinitätssäule durchgeführt. Zur Optimierung der Kopplungsmethode wurden orangefarbene Dabsyl-Proteine synthetisiert und auf der Oberfläche gebunden. Die Färbung wurde als Indikator für die Ligandendichte verwendet. Wegen der hohen Affinitätskonstanten der anti-TNT-IgGs lässt sich TNT nicht reversibel von der TNT-Affinitätssäule eluieren. Daher wurde eine neuartige Elutionsmethode entwickelt, die thermische Online-Elution. Die maximale Kapazität einer TNT- Affinitätssäule betrug 650 ng TNT bzw. 10 µg/mL Säulenvolumen. Um die Ligandendichte der TNT-Affinitätssäulen zu bestimmen, wurde ein neues Verfahren entwickelt, da die spektroskopischen Proteinbestimmungsmethoden nicht geeignet waren. Zur Proteinbestimmung wurde eine HPLC-Trennung der Aminosäuren Tyr und Phe ohne vorherige Derivatisierung entwickelt. Die Proteinhydrolysezeit wurde durch Einsatz einer Mikrowelle von 22 h auf 30 min verkürzt. Zur internen Kalibrierung wurden HTyr und FPhe verwendet. Die Nachweisgrenze bei 215 nm ist sowohl für Tyr als auch für Phe 0,05 µM (~ 10 µg/L). Dieses neue Verfahren, das als Aromatische Aminosäureanalyse (AAAA) bezeichnet werden kann, wurde zur Proteinbestimmung von homogenen Proben mit NIST-BSA validiert, wobei die Nachweisgrenze für Proteine 16 mg/L (~ 300 ng BSA) ist. Die relative Standardabweichung incl. der Hydrolysestufe beträgt 5%. / The explosive Pentaerythritol tetranitrate (PETN) is extremely difficult to detect. An improved antibody against PETN was developed by using the bioisosteric concept. These polyclonal antibodies are highly selective and sensitive. The limit of detection (LOD) of the ELISA was determined to be 0.15 µg/L. The dynamic range of the assay was found to be between 1 and 1000 µg/L. The antibodies are sufficiently pH-stable and resistant to solvent additives. An HPLC-compatible TNT-affinity column with porous glass as support material was prepared for the environmental analysis. In order to isolate the anti-TNT antibodies of the TNT sera a separation was carried out on a dinitrophenyl-affinity column. To optimize the immobilization method, orange-coloured dabsyl proteins were synthesized and bound to the surface. The colour intensity was found to be an indicator for the immobilization rate. In consequence of the high affinity constants of the anti-TNT antibodies, TNT can''t elute by a typical acidic elution step. Therefore, a novel separation approach, the thermal online-elution was developed. The maximum capacity of an affinity column was 650 ng TNT or 10 µg/mL of column volume. To quantify the immobilization rate of proteins, a new method has been developed, because the usual protein determination methods were unsuitable. Therefore an HPLC separation method of Tyr and Phe was developed without prior derivatization. Two internal standard compounds, HTyr and FPhe, were used for calibration. The LOD was estimated to be 0.05 µM (~ 10 µg/L) for Tyr and Phe at 215 nm. The protein hydrolysis time was reduced from 22 h to 30 min using microwave technique. This procedure, that was termed aromatic amino acid analysis (AAAA), has been validated for protein determination of homogeneous samples with NIST-BSA. The LOD for proteins was calculated to be below 16 mg/L (~ 300 ng BSA absolute). The relative standard deviation, including the hydrolysis step, is 5%.

Monolithische Phasen werden seit ca. 20 Jahren entwickelt und sind in den letzten Jahren eine attraktive Alternative zu etablierten mit Partikeln gefüllten Säulen geworden. Sie werden in anorganische Phasen und organische Polymermonolithe unterteilt. Monolithe bestehen aus einem einzigen, durchgehenden Stück. Charakteristisch ist das sie durchziehende Porennetzwerk, durch das der Eluent mit geringerem hydraulischen Widerstand fließen kann und das somit schnellere Flussraten ermöglicht. Polymermonolithe werden vorwiegend für die Separation großer Biomoleküle aufgrund eines durch Konvektion beschleunigten Massentransfers eingesetzt. Zudem sind sie über einen breiten pH-Wert-Bereich stabil und können direkt (in situ) im gewünschten Format polymerisiert werden. In der vorliegenden Arbeit gelang die Herstellung neuartiger epoxidbasierter Phasen nach einem von Weller et al. entwickelten Konzept, die im Affinitätsexperiment angewendet wurden. Die Herstellung erfolgte durch Autopolymerisation polyfunktioneller Glycidylether. Für die Funktionalisierung wurden nicht polymerisierte Epoxide genutzt. Als Monomere dienten TEPIC, GE 100 sowie GE 500. Die Arbeiten konzentrierten sich vor allem auf die bei Raumtemperatur durchführbaren Synthesen mit dem höher funktionellen GE 500. Die Polymerisationsbedingungen wurden hinsichtlich Porogenmischung und -anteil optimiert. Eine mit 75 Vol.-% Porogen (Dioxan/ MTBE (2:3)) hergestellte und mit rProtein A funktionalisierte Kapillarsäule (66 %, 12 µm, 7m2/g) ergab im Affinitätsexperiment eine Kapazität von 0,44 mg/mL aus Kaninchenserum isolierbarem IgG. Durch Beimischung von 60 % BDE konnte der Epoxidgehalt vervierfacht und die Porengröße auf 400 nm bei 59 % Porosität reduziert werden. Die spezifische Oberfläche wurde verdreifacht und die Kapazität präparierter Disks auf 0,90 mg/mL etwa verdoppelt. Die in dieser Arbeit entwickelten Disks können zur Isolierung von IgG aus einer komplexen Probe, wie beispielsweise Blutserum, eingesetzt werden. / Monolithic supports have been developed since 20 years and have become an attractive alternative to well-established columns packed with particles over the past years. They are classified into inorganic media and organic polymer monoliths. Monoliths consist of a single, continuous piece with an integrated characteristic porous network through which the eluent can flow with lower hydraulic resistance and which consequently offers higher flow rates. Due to an accelerated mass transfer caused by convection polymer monoliths are mainly used for separation of large biomolecules. In addition, they are stable over a wide pH range and can be polymerized directly (in situ) in the desired format. In the present work the successful preparation of new epoxide-based supports according to a concept introduced by Weller et al. as well as their application in affinity chromatography are reported. Their preparation was carried out by self-polymerization of polyfunctional glycidyl ethers and for functionalization non-polymerized epoxide groups were used. As monomers TEPIC, GE 100 and GE 500 were utilized. The work has focused especially on the polymerization of the higher functional GE 500, which can be perfomed at room temperature and was optimized in terms of both composition and amount of porogen. The extraction of IgG from rabbit serum with a capillary column (66 %, 12 µm, 7m2/g) prepared by 75 vol.-% porogen (dioxane/ MTBE (2:3)) and functionalized with rprotein A resulted in a capacity of 0,44 mg/mL. By addition of 60 % BDE the epoxide content was quadrupled and the pore size reduced to 400 nm while maintaining consistently high porosity of 59 %. The specific surface area was tripled and the capacity of prepared disks approximately doubled to 0,90 mg/mL. The disks developed in this work can be applied for the isolation of IgG from complex samples such as serum.