Orientador: Marlus Chorilli / Resumo: O diabetes mellitus (DM) é uma síndrome metabólica caracterizada por deficiência na produção/secreção pancreática de insulina e/ou resistência à ação do hormônio nos tecidos alvo, resultando em hiperglicemia. Diversas pesquisas têm desencadeado o desenvolvimento de novos sistemas de administração de insulina que possibilitem a utilização de vias alternativas à parenteral, com destaque à administração de insulina por via nasal. Esta via tem-se mostrado promissora, pois pode promover uma rápida absorção do fármaco e aumentar a sua biodisponibilidade. Entretanto, existem mecanismos de depuração mucociliar que limitam a administração de fármacos, além da baixa permeabilidade do epitélio nasal, o qual dificulta a absorção de fármacos com alto massa molar. Uma estratégia para vencer tais barreiras é a utilização de sistemas nanoestruturados (lipossomas), pois são amplamente utilizados para o aperfeiçoamento da potencialização da ação terapêutica de fármacos. Além disso estes lipossomas foram funcionalizados com peptídeos de transdução de membrana (CPPs), tais como os peptídeos TAT e Penetratin (PNT), que atuam como promotores da penetração e absorção do fármaco, com posterior dispersão em hidrogel de hidroxietilcelulose. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e caracterizar lipossomas contendo solução de insulina, funcionalizados com CPPs (TAT e PNT) e dispersos em hidrogel, avaliar o potencial pela via nasal, in vivo, para a melhora dos níveis séricos e efeito hipoglicemiante d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

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.

Les peptides pénétrants sont de petits peptides capables de se rentrer dans les cellules sans endommager la membrane, présentant un grand potentiel dans la délivrance de diverses cargaisons, y compris des peptides, pour le traitement du cancer ainsi que d'autres maladies. Les peptides comme médicaments, bénéficient d'être spécifiques, relativement sûrs, faciles à produire et faciles à modifier. Cependant, des défis significatifs demeurent concernant l'application de peptides en tant qu'agents thérapeutiques. L'identification des motifs de liaison des peptides est difficile et les peptides se comportent généralement avec une perméabilité cellulaire faible et une sensibilité à l'hydrolyse des proteases. Dans le présent travail, nous avons caractérisé deux interactions protéine-protéine Ras/Raf et PP2A/SET qui sont impliqués dans la régulation de la transformation tumorale et de l'apoptose. Nous avons identifié le site de liaison parmi ces protéines (peptides interférents). Ces peptides interférents ont été associés à une navette optimisée pour générer des peptides chimériques capables de dissocier ces interactions protéine/protéine. Les peptides chimeriques ont été testés in vitro et in vivo, montrant un effet anti-tumor. Ces peptides pourraient être considérés comme des candidats prometteurs pour des applications futures en tant que vecteurs pour la délivrance de médicaments intracellulaires. / Cell penetrating peptides are small peptides which are able to translocate into cells without causing membrane damage, presenting a great potential in the delivery of various cargos including peptides, for the treatment of cancer as well as other diseases. Peptides as drugs, benefit from being specific, relative safe, easy to produce and easy to modify. However, significant challenges remain regarding the application of peptides as therapeutic agents. Identification of the binding motifs of the peptides is difficult, and peptides generally behave low-cellular permeability and sensitivity to proteases hydrolysis. In the present work, we characterized two protein-protein interactions Ras/Raf and PP2A/SET that are involved in the regulation of tumor transformation and apoptosis. We have identified the binding site among these proteins (interfering peptides). These interfering peptides were associated to an optimized shuttle to generate chimeric peptides able to dissociate these protein/protein interactions. The chimeric peptides were tested in vitro an in vivo, showing an anti-tumor effect. These peptides could be considered as promising candidates for future applications as vectors for intracellular drugs delivery.

Les Peptide Nucleic Acids (PNA) sont des oligonucléotides antisens analogues de l’ADN, dont le squelette phosphodiester a été remplacé par un squelette pseudo-peptidique d’unités 2-aminoéthylglycine, sur lequel sont greffées des bases azotées. Des PNA dirigés contre les ARN messagers peuvent inhiber la traduction in vitro et dans les cellules humaines. Lorsqu’ils sont dirigés contre la partie codante du transcrit, des PNA polypyrimidiques peuvent bloquer physiquement l’élongation de la traduction en stoppant la machinerie ribosomale. Le transcrit n’est pas dégradé et une protéine tronquée est générée in vitro. Dans le cas de protéines dont la surexpression conduit à des pathologies, des protéines tronquées inactives peuvent jouer un rôle de dominant négatif dans les cellules. Des protéines tronquées de l’Insulin-like Growth Factor-1 (IGF1R), récepteur cellulaire surexprimé dans de nombreux cancers, inhibent la tumorigénèse et la résistance à l’apoptose de cellules cancéreuses. La pénétration cellulaire des PNA est la principale limite à leur utilisation in vivo et il est nécessaire de développer des transporteurs efficaces pour ces oligonucléotides neutres. Les Cell Penetrating Peptides (CPP) sont des peptides naturels ou synthétiques, qui peuvent être conjugués à différentes molécules pour promouvoir leur internalisation cellulaire. Les objectifs de ce travail de thèse étaient de comprendre les critères requis pour l’arrêt de l’élongation de la traduction par les PNA et d’étudier leur internalisation cellulaire médiée par le CPP (R/W)9. Nous avons montré qu’un couplage covalent entre ce peptide et deux PNA 13-mer permet l’internalisation des conjugués dans un système cellulaire rapporteur, conduisant à leur activité biologique en présence d’un agent lysosomotropique. Les conjugués interagissent avec les glycosaminoglycanes membranaires et sont internalisés par endocytose en moins d’une heure. De plus, les conjugués formés avec un peptide analogue comportant des lysines sont six fois moins internalisés, mettant en évidence l’importance des résidus arginines du peptide (R/W)9 pour l’interaction avec la membrane. Enfin, nous avons montré que le peptide (R/W)9 couplé à un PNA dirigé contre la séquence codante de l’IGF1R permet son internalisation dans les cellules de cancer de la prostate et que le conjugué inhibe spécifiquement l’expression de la chaîne β du récepteur. / Peptide nucleic acids (PNAs) are nucleic acid analogues in which the sugar-phosphate backbone has been replaced by a synthetic peptide backbone, usually comprised of N-(2-aminoethyl)-glycan units. PNAs targeted against mRNA can inhibit translation both in vitro and in human cells. Pyrimidine rich PNAs can physically block translation elongation at targets in the coding region of messenger RNA, giving rise to a truncated protein. Truncated proteins that lack a functional domain and can at the same time inhibit the function of the wild type protein are referred to as dominant negative. Truncated form of Insulin-like Growth Factor-1 receptor (IGF1R), protein overexpressed in numerous cancers, inhibits tumorigenesis and resistance to apoptosis of cancerous cells. One of the biggest limitations to the use of PNAs in vivo is their poor internalization. It is therefore necessary to develop efficient transporters able to enhance the cellular uptake of PNAs. Cell-penetrating peptides (CPPs) are natural or synthetic peptides that can be conjugated to different molecules in order to facilitate their cellular uptake. The objectives of this thesis were to understand the conditions required for the translation elongation arrest by PNAs and to study their cellular internalization mediated by CPP (R/W)9. We have shown that covalent coupling of two 13-mer PNAs to (R/W)9 facilitates their internalization in a reporter cell line, leading to their biological activity in the presence of a lysosomotropic agent such as chloroquine. The conjugates interact with membrane glycosaminoglycans and are internalized by endocytosis in less than one hour. Moreover, conjugates formed with an analogue peptide containing lysines in the place of arginines of (R/W)9 showed to be six time less efficiently internalized, suggesting the importance of arginine residues for the interaction of the conjugate with the membrane. We have also showed that the PNA targeted to the coding region of IGF1R coupled to (R/W)9 is efficiently internalized to prostate cancer cells where it inhibits the expression of the beta chain of the receptor.

Les peptides vecteurs ou CPP sont de petits peptides, en général de taille inférieure à 30 acides aminés. Parmi les nombreux CPP décrits dans la littérature, les peptides riches en arginine ont fait l'objet d'une attention particulière. Plusieurs modifications chimiques du squelette peptidique conduisant à une distribution spatiale différente des groupes fonctionnels, ou encore l'introduction de chaînes aliphatiques ont été effectuées pour accroitre la capacité du peptide à traverser la membrane de la cellule. L'objectif de ce travail a été le développement de nouveaux peptides vecteurs cycliques contenant un domaine cationique minimal et pouvant être acylés par une chaîne aliphatique. Quinze nouveaux transporteurs cycliques, dont les peptides vecteurs classiques Pénétratine et R6W3ont été synthétisés. La cyclisation tête-queue par ligation chimique native a été rendue possible par l'introduction d'un résidu cystéine et d'une fonction thioester (ou précurseur) respectivement aux extrémités N et C-terminales des différentes séquences de CPP. Leur aptitude à transporter le peptide bioactif PKCi dans des cellules CHO a été évaluée par quantification de la cargaison internalisée en utilisant la spectrométrie de masse MALDI-TOF. Les résultats indiquent une meilleure internalisation essentiellement par voie d'endocytose dépendante des glycosaminoglycanes, suite à la cyclisation des CPP comparés à leur version linéaire. De toute la série des lipopeptides testés dans ce projet, deux séquences se distinguent par leur capacité remarquable à franchir les membranes cellulaire : les CPP [C12-R4] et [C12-R7]. / Cell-penetrating peptides (CPPs) are short, cationic or amphipatic peptides, usually containing less than 30 amino acids, which are able to deliver various bioactive cargoes inside cells. Among the many CPPs described in the literature, the arginine-rich peptides have attracted particular attention. Several chemical modifications of the peptide backbone leading to different spatial distributions of the CPP functional groups, or the introduction of aliphatic chains have been made to enhance their internalization efficiency. The aim of this work was the synthesis of new cyclic CPPs containing a minimal cationic domain and their functionalisation with an aliphatic chain. We have synthesised a small library of fifteen new cyclic carriers including the classical CPPs Penetratin and R6W3 using native chemical ligation (NCL) in solution. The introduction of an N-terminal Cys residue and of a C-terminal thioester (or precursor) in the initial linear peptide sequence allowed the head-to-tail cyclisation. The efficiency of cargo delivery in CHO cells was measured by MALDI-TOF mass spectrometry. We found that cyclisation of CPPs improved their internalisation efficiency mostly by glycosaminoglycan-dependent endocytosis. Among the whole series of lipopeptides tested in this project, two sequences are distinguished by their remarkable ability to cross cellular membranes: the peptides [C12-R4] and [C12-R7].

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.

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.

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

<p>Pathogenic bacteria are evolving to drug resistant strains at alarming rates. The threat posed by drug resistant bacterial infections emphasize the need to establish new antimicrobial agents. Of immediate concern regarding the dangers of antibiotic resistance is the existence of intracellular bacteria, which find refuge from bactericidal devices by hiding within mammalian cells. Unfortunately, many therapeutics, such as vancomycin, do not possess membrane penetrating abilities to achieve efficacious eradication of bacteria at the subcellular level, allowing infections to persist. In an effort to target pathogens that thrive within mammalian cells, features of cell penetrating peptides (CPPs) and antimicrobial peptides (AMPs) were combined to develop a dual action antimicrobial CPP, cationic amphiphilic polyproline helices (CAPHs). CAPHs have proven to be an effective antimicrobial agent to combat an array of both Gram negative and Gram positive bacteria. </p> <p> </p> <p>Herein, to improve CAPHs activity, we have demonstrated how the incorporation of strategic modifications has resulted in increased cell uptake, alternative subcellular locations for CAPHs, and advanced antimicrobial potency. By simultaneously extending the helical length of CAPHs while incorporating different hydrophobic groups in place of the original isobutyl moiety that compose CAPHs we have created a <b>FL-P17-5R </b>series of peptides with five carbon aliphatic motifs: <b>Fl-P17-5B</b>, <b>Fl-P17-5C</b> and <b>Fl-P17-5L. </b>Through these modifications the peptides proved to be 2 to 5-fold more efficient in accumulating in macrophage cells than parent peptide Fl-P14LRR and where able to clear intracellular pathogenic bacteria, such as <i>Listeria</i>, from infected macrophages by 26 to 54%. </p> <p> </p> <p>In addition to making the <b>Fl-P17-5R</b> series of CAPHs to potentiate CAPHs activity, modifications to the cationic moiety of CAPHs were explored. By incorporating a new cationic monomer into the CAPHs sequence, a guanylated amino proline (GAP) residue, we produced <b>Fl-P14GAP</b>, a CAPHs peptide with an organized cationic charge display. This modification resulted in a 5-fold increase in cell uptake and a 2 to 16-fold decrease in minimum inhibitory concentration (MIC) values against strains of enteric and ESKAPE pathogens in comparison to Fl-P14LRR. <b>Fl-P14GAP</b> also executed superior clearance of intracellular pathogenic bacteria that resulted in the complete eradication of a drug resistant strain of <i>A. baumannii</i> from infected macrophage cells. Overall, our efforts with the <b>Fl-P17-5R</b> series of CAPHs and <b>Fl-P14GAP</b> have strengthened the therapeutic potential of CAPHs in the hopes of addressing the need for novel antibiotics with the propensity to eradicate intracellular pathogens.</p>