Viral particles derived from mouse polyomavirus can be potentially used as a delivery system for therapeutic genes and drugs into target cells. This thesis focuses on preparation and characterization of polyomaviral particles that are modified with cell-penetrating peptides in order to increase efficiency of transduction of reporter genes into human cells. Viral particles that are composed of major capsid protein VP1 in combination with minor capsid protein VP2 and minor capsid protein VP3 that is modified with octaarginine, LAH4 peptide or with transduction domain of adenoviral protein VI are analysed in transduction assays. The thesis also provides information about the effect of the modification on encapsidation of heterologous DNA. The results of transduction assays performed with modified particles containing encapsidated luciferase gene revealed that efficiency of transduction did not increase but decreased in comparison with unmodified particles. These findings help to elucidate the role of polyomaviral minor capsid proteins in gene transfer mediated by viral particles and contribute to the design of new strategies for modifications of viral particles derived from mouse polyomavirus for their successful application in nanomedicine. Key words: mouse polyomavirus, pseudovirions, virus-like...

Im Kontext komplexer zellulärer Prozesse stellen Phosphopeptide essentielle bioaktive Verbindungen dar, die mit Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsreaktionen eng verbunden sind. Diese Prozesse sind in die Regulation nahezu jeder zellulären Funktion involviert und spielen damit ebenso im Falle von Erkrankungen eine tragende Rolle. Synthetische Phosphopeptide könnten in Form molekularer Sonden zur Charakterisierung dieser physiologisch fundamentalen Prozesse beitragen. Die radiopharmazeutische Forschung brachte in den letzten zwei Jahrzehnten zahlreiche radiomarkierte Peptide für das Peptidrezeportargeting im Rahmen der Tumordiagnose und -therapie hervor. Unter diesen regulatorischen Peptiden mit vorwiegend neuroendokrinem Ursprung sind bisher keine radiomarkierten Phosphopeptide für die Anwendung in der molekularen Bildgebung bekannt. Das Anliegen dieser Arbeit ist es, grundlegende Erkenntnisse zur Synthese und Markierung von Phosphopeptiden zu erlangen. Neben der Etablierung der Radiomarkierung von Phosphopeptiden mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 und deren radiopharmakologischen Charakterisierung steht auch die Fluoreszenzmarkierung mit dem Fluorophor 5(6)-Carboxyfluorescein (CF) im Fokus. Phosphopeptidliganden der kürzlich identifizierten Polo-Box-Domäne (PBD) als Phosphopeptid-bindende Proteindomäne der Zellzykluskinase Plk1, die ebenso ein interessantes onkologisches Target darstellt, wurden für diese Arbeit als Model ausgewählt. Es stand ein Repertoire verschiedenster Methoden zur Verfügung, welche molekulare Bildgebung mittels Kleintier-PET, wie auch optische Bildgebung und die Radiomarkierung mittels klassischer und Mikrofluidik-Technik beinhalten. Im ersten Abschnitt der Promotion wurden kürzlich vorgestellte Plk1-PBD-gerichtete Phosphopeptide mit einer Ser-pThr-Kernsequenz ausgewählt und deren Darstellung mit der Fmoc-gestützten orthogonalen Festphasenpeptidsynthese (SPPS) vollzogen. Dabei erfolgt die Umsetzung nach dem Prinzip des Synthon-basierten Ansatzes, der den Einsatz des monobenzylierten Phosphothreonin-Bausteines involviert. Das Uronium-basierte Kupplungs- und Aktivierungsreagenz HBTU/HOBt/DIPEA, sowie das Abspaltreagenz TFA/Wasser/Thioanisol/EDT als eine modifizierte Variante des Reagenz K garantiert die zuverlässige Synthese von Phosphopeptiden unter Erhalt der Phosphatfunktion. Zur Charakterisierung der Peptide wurden HPLC und Massenspektrometrie als geeignete Methoden herangezogen. An die erfolgreiche Darstellung von Phosphopeptiden schloss sich im Weiteren die Ausarbeitung einer zuverlässigen Radiomarkierungsstrategie mit dem kurzlebigen Positronenstrahler Fluor-18 an. Das bifunktionelle, aminogruppenselektive Agenz N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoat ([18F]SFB) ist für eine indirekte und milde Markierung von Peptiden geeignet. Durch Optimierung der N-terminalen 18F-Fluorbenzoylierung des Phosphopeptides MQSpTPL 2 hinsichtlich der Verwendung eines 0,05 M Na2HPO4-Puffers (pH 9) als Reaktionsmedium bei geringer Peptidmenge (0,5 mg), sowie 40°C Reaktionstemperatur und 30 min Reaktionszeit kann das 18F-markierte Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 in guten radiochemischen Ausbeuten von 25-28%, mit entsprechender radiochemischer Reinheit >95% mittels HPLC-Reinigung und guter spezifischer Aktivität (20-40 GBq/µmol) hergestellt werden. Der Einsatz von Peptiden ist für die molekulare Bildgebung besonders attraktiv, jedoch oftmals durch ihre Instabilität in vivo, ausgelöst durch ubiquitär vorhandene endogene Peptidasen, limitiert. Beispielsweise besitzt ein N-terminal 18F-fluorbenzoyliertes Neurotensin(8-13) eine biologische Halbwertszeit von weniger als 5 min in vivo. Mit dem neuartigen 18F-markierten Phosphopeptid [18F]FBz-MQSpTPL [18F]4 wurde ein Peptid geschaffen, das in vitro und besonders in vivo außerordentlich hohe Stabilität von > 50% nach 60 min aufweist und damit wegweisende Eigenschaften für die Entwicklung neuer stabiler Radiopeptide für die molekulare Bildgebung aufzeigt. Da Phosphopeptiden aufgrund ihrer negativgeladenen Phosphatfunktionalität ein intrazellulärer Zugang verwehrt bleibt, wie auch in dieser Arbeit an den Tumorzelllinien HT-29 und FaDu nachgewiesen wurde, steht die Realisierung einer verbesserten intrazellulären Internalisierung von Phosphopeptiden im Blickfeld des zweiten Teils der Promotion. Der Versuch einer gezielten Zellaufnahme über rezeptorinternalisierende Peptide wurde mit dem Neuropeptidhormon Neurotensin(8-13) (NT(8-13)), welches über einen G-Protein-gekoppelten Mechanismus in die Zelle gelangt, beschritten. Jedoch zeigte ein Triazol-verbrücktes Konjugat 8 aus NT(8-13) als molekularer Transporter und dem Phosphopeptid MQSpTPL 2, welches auf Basis der Azid-Alkin-Click-Chemie synthetisiert wurde, anhand seiner niedrigen Bindungsaffinität (IC50 = 8,33 µM) kein Potential zu einer erfolgreichen Zellinternalisierung des Phosphopeptides. Vermittler eines rezeptorunabhängigen molekularen Zelltransportes stellen zellpenetrierende Peptide (CPP) dar. Versuche mit den derzeit kürzesten CPPs, den zellpenetrierenden Pentapeptiden (CPP5) oder auch Bax-Inhibitoren genannt, waren nicht erfolgreich. Zwei weitere, in dieser Arbeit verwendete, potente CPPs sind sC18, abgeleitet aus dem antimikrobiellen Peptid Cathelicidin, sowie hCT(18-32)-k7, einem verzweigten Calcitonin-Derivat. Mit den Phosphopeptid-CPP-konjugierten Verbindungen MQSpTPL-sC18 2-CPP1 und MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 2-CPP2 wurden nicht-toxische Konstrukte geschaffen, die eine definierte Aufnahme in HeLa, MCF-7 und HT-29 Zellen aufweisen, wie nach Markierung mit dem Fluoreszenzfarbstoff 5(6)-Carboxfluorescein (CF) mittels optischer Bildgebung nachgewiesen werden konnte. Die Integration und Anwendung der Mikrofluidik-Technik im Rahmen der Darstellung der N-terminal 18F-fluorbenzoylierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate [18F]FBz-MQSpTPL-sC18 [18F]2-CPP3 und [18F]FBz-MQSpTPL-hCT(18-32)-k7 [18F]2-CPP4 weist im Vergleich zur konventionellen Radiomarkierung entscheidende Vorteile auf. In Anwesenheit der für die [18F]SFB-Markierung reaktiven ε-NH2-Gruppen in den CPP-Fragmenten zeichnet sich im Rahmen der mikrofluiden Markierung entscheidende Selektivität für den N-Terminus der Peptide ab. Die radiochemischen Markierungsausbeuten betragen 21% für [18F]2-CPP3 und 26% für [18F]2-CPP4, im Vergleich zu 2-4% für [18F]2-CPP3 und [18F]2-CPP4 bei klassischer Markierung. In Zellaufnahmestudien wurde ebenfalls eine Internalisierung der 18F-markierten Konjugate in FaDu, HT-29 und MCF-7 Zellen bestätigt, die in allen drei Zelllinien vergleichbar ist und um 40% ID/mg Protein liegt. Wie auch das 18F-markierte Hexaphosphopeptid selbst in Wistar-Unilever-Ratten, zeigten die 18F-markierten Phosphopeptid-CPP-Konjugate in Kleintier-PET-Untersuchungen in Balb/C-Mäusen (Normaltiere) die für ein radiomarkiertes Peptid typische Bioverteilung. Hierbei ist eine renale Exkretion eingeschlossen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, erstmals 18F-markierte Phosphopeptide mit zellpenetrierenden Eigenschaften für die molekulare Bildgebung zu entwickeln. Diese neuen zellpenetrierenden Phosphopeptide stehen für die Untersuchung intrazellulärer Prozesse, die auf Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsprozessen basieren, zur Verfügung.

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Boron neutron capture therapy (BNCT) has the potential to specifically destroy tumor cells without damaging the tissues infiltrated by the tumor. BNCT is a binary treatment method based on the combination of two agents that have no effect when applied individually: 10B and thermal neutrons. Exclusively, the combination of both produces an effect, whose extent depends on the amount of 10B in the tumor but also on the organs at risk. It is not yet possible to determine the 10B concentration in a specific tissue using non-invasive methods. At present, it is only possible to measure the 10B concentration in blood and to estimate the boron concentration in tissues based on the assumption that there is a fixed uptake of 10B from the blood into tissues. On this imprecise assumption, BNCT can hardly be developed further. A therapeutic approach, combining the boron carrier for therapeutic purposes with an imaging tool, might allow us to determine the 10B concentration in a specific tissue using a non-invasive method. This review provides an overview of the current clinical protocols and preclinical experiments and results on how innovative drug development for boron delivery systems can also incorporate concurrent imaging. The last section focuses on the importance of proteomics for further optimization of BNCT, a highly precise and personalized therapeutic approach.

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Mucopolysaccharidosis IIIB (MPS IIIB) is a rare, metabolic disorder that results from a deficiency in the lysosomal hydrolase, α-N-acetylglucosaminidase (Naglu). Naglu is a housekeeping enzyme involved in the degradation pathway of heparan sulfate. A deficiency in active Naglu leads to an accumulation of heparan sulfate within the lysosome, initiating a pathological cascade within the cell. Patients with MPS IIIB experience progressive central nervous system degeneration and die within the first few decades of life. Presently, enzyme replacement therapy, which is a standard of care for other lysosomal storage disorders, is an ineffective treatment for MPS IIIB. This is due to impermeability of the blood-brain barrier (BBB) to exogenous recombinant enzymes. A promising approach to this therapeutic obstacle is protein transduction domains. Protein transduction domains have been shown to facilitate the delivery of active enzyme across the BBB in mice. Previously, our laboratory used Spodoptera frugiperda (Sf9) insect cell system to express human recombinant Naglu fused to a synthetic protein transduction domain (PTD4). The purpose was to use PTD4 to the facilitate the delivery of Naglu across biological membranes, including the blood-brain barrier. However, a missing stop codon following PTD4 limited its transducibility. The stop codon was re-introduced and the improved fusion enzyme, Naglu-PTD4X, was stably expressed in Sf9 cells. The overarching goal of this project is to create a large-scale production of human recombinant Naglu that has the potential to be used to treat the neuropathology of patients with MPS IIIB. This project used a three-step purification system to purify Naglu-PTD4X. Uptake of Naglu-PTD4X was assessed in MPS IIIB fibroblasts using a fluorogenic activity assay, immunoblotting, and immunocytochemistry. Our purification system was successful at purifying Naglu-PTD4X to homogeneity with a 26% yield and specific activity of 84,000 units/mg. An increase in Naglu activity was detected in MPS IIIB fibroblasts following incubation with Naglu-PTD4X. Future directions will focus on optimizing immunodetection and conducting BBB penetration studies in murine models. / Graduate / 2020-06-21

Les peptides de la famille du LAH4 sont des peptides cationiques capables de se replier en hélice α amphiphile. Ces peptides sont riches en histidines ce qui permet de moduler les interactions de ces peptides de manière pH dépendante et dans une gamme physiologique. Leurs capacités à interagir et perturber les membranes ont été utilisées pour divers applications biologique, et notamment pour l'amélioration de systèmes de transport de gènes.Le travail de cette thèse a été divisé en trois parties dans le but de caractériser de manière biophysique les différentes interactions ayant lieu lors de la livraison du système de transport de gènes à l’intérieur d’une cellule. L’interaction peptide-peptide : avec l’étude de l’agrégation en fibrilles de la VF1 ; l’interaction peptide-membrane : avec l’effet du LAH4L1 en présence de membranes ; et l’interaction peptide-ADN : avec le suivit de l’interaction entre le LAH4L1 et de l'ADN. / The LAH4 family consists of cationic amphiphilic peptides with propensity to fold in α-helical secondary structures. They contain histidines allowing the modulation of their interactions in a pH dependent manner in the physiological range. In membranes, at neutral or acidic pH the peptide assumes a transmembrane or an in planar configuration, respectively.In the field of gene delivery systems, peptides like LAH4 are used. They are able to firstly interact with different cargoes in order to form stable complexes, then interact with the cell membrane, and finally, promote to escape from the endosome.This PhD has been divided into three parts in order to characterize, with biophysical methods, the interactions occurring during the delivery of these gene systems: peptide-peptide interactions with a focus on the study of VF1 fibre formation; peptide-membrane interactions: with the investigation of the effect of LAH4L1 in different membranes; and peptide-DNA interactions, where the interactions of LAH4L1 with a small DNA fragment were measured.

La thèse présentée décrit la préparation et l’étude d’auto-assemblages élaborés à partir de conjugués amphiphiles Tat-b-poly(triméthylène carbonate) (Tat-b-PTMC) doués de propriétés d’internalisation cellulaire conférées par le segment peptidique Tat. L’objectif principal de ces travaux était d’établir et de comprendre les liens entre la structure macromoléculaire, les caractéristiques colloïdales et l’activité biologique de ces systèmes. Les efforts de précision moléculaire et de caractérisation fournispour la synthèse des chimères Tat-b-PTMC a permis de corréler finement leurs structures chimiquesaux paramètres physico-chimiques des nanoparticules obtenues. Grâce à une approche expérimentale transverse combinant des études de biologie cellulaire et de biophysique, le mécanisme d’interaction in vitro de ces nanoparticules avec les cellules HeLa a pu être en partie élucidé. Enfin, un camouflage électrostatique pH-sensible a été mis au point pour tenter de moduler leur activité et d’augmenter leur sélectivité vis-à-vis de l’environnement tumoral. / This thesis work deals with preparation and study of cell-penetrating self-assemblies from amphiphilicpolymer-b-peptide Tat-b-poly(trimethylene carbonate) conjugates. Tat-b-PTMC chimeras withtunable hydrophilic fractions were synthesized, thoroughly characterized and self-assembled inaqueous buffer into size-tunable, highly monodisperse core-shell nanoparticles, presenting a full Tatcorona. Their physico-chemical profiles were assessed by complementary imaging (AFM, TEM) andscattering techniques (multiangle DLS, SANS) and correlated with their molecular architectures.Their transduction ability in vitro on HeLa cells and interaction mode with phospholipid membraneswere studied with a view to correlate their physico-chemical profiles with their biological properties.This interdisciplinary approach partially shed light on the interactions at play in the cellular uptakeprocess. With the ultimate goal of improving pharmacological characteristics, we finally endeavoredto develop an ON/OFF PEGylation strategy to harness the cell penetrating power of thosebiomacromolecular self-assembled systems.

L’utilisation d’oligomères d’α-amino-γ-lactame (Agl-αAA) comme vecteurs de pénétration intracellulaire est décrite dans ce manuscrit. Nous avons montré que ces oligomères structurés en ruban sont capables de traverser la membrane plasmique pour atteindre le cytosol et y délivrer un cargo biologiquement actif. A la différence des séquences peptidiques, ces oligomères ont une très bonne résistance enzymatique. Une nouvelle famille de foldamères d’α-amino-γ-lactame (Agl-βAA) obtenus à partir de séquences /β peptidiques est également décrite. La structure secondaire de ces composés a été étudiée par RMN, IR-TF, CD et DRX. Nous avons montré que ces oligomères sont capables d’adopter une structure stable en hélice 12. De façon remarquable, ces oligomères sont solubles en milieux aqueux malgré une absence totale de chaînes latérales hydrophiles. / The use of α-amino-γ-lactam oligomers (Agl-αAA) as cell penetrating vectors are described in this work. These ribbon structured oligomers are able to cross the cell membrane to reach the cytosol and deliver a biologically active cargo. Unlike peptide sequences, these oligomers display a strong enzymatic resistance. A new family of α-amino-γ-lactam oligomers (Agl-βAA) obtained from conversion of /β peptide sequences are also described. Secondary structure of these molecules have been studied by NMR, FTIR, CD and XRD. These oligomers are able to adopt a stable 12-helix structure. Unexpectedly, these oligomers are soluble in aqueous mediums without any hydrophilic side chains