Today there is an increasing clinical demand and expectation of patients for biomaterials, which underscores the importance of discovering the correlations between biomaterials and biological systems, especially blood. When an artificial material makes contact with blood, the first event is a rapid adsorption of plasma protein on the material surface, on top of which the innate immune system is triggered, with potentially detrimental consequences. The work presented in this thesis, reported in four papers, was designed to investigate complications associated with (a) biomaterial-induced immune systems, including activation mechanisms and crosstalk between cascades on the biomaterial surface, and with (b) clinical investigations. In Paper I and Paper II, a series of studies led to the development of a direct prediction of the subsequent biological events based on the pattern of initially bound proteins. A reciprocal relationship was demonstrated between activation of the contact system and the complement system when they were induced on artificial material surfaces. Based on these studies, a robust and simple method for biocompatibility testing was proposed and validated, yielding high specificity and sensitivity when compared to today’s gold standard. Paper III investigated biomaterial-induced activation of complement and leukocytes in dialysis treatment-related conditions. The results suggested that citrate is more biocompatible than the conventionally used acetate. This reduction in activation could be further enhanced with higher citrate concentrations, suggesting that dialysis fluid containing citrate is a promising alternative to acetate dialysis fluid. Paper IV investigated complement initiation mechanisms with clinical implications. An experimental system was set up to revisit the initiation of the complement alternative pathway, and correlations were found between chaotropic or nucleophilic agents and iC3 generation under physiologically relevant conditions. A clinical study of hepatic encephalopathy patients indicated a direct correlation between elevated plasma ammonia and iC3 formation, as well as with complement activation in vivo.  Taken together, these studies have provided a model for a robust biomaterial test and have investigated biomaterial-induced complications in the fluid phase in clinically related conditions; furthermore, the basic mechanisms of complement activation have been dissected in relation to disease symptoms. Keywords: Complement system, contact system, blood, biomaterials, biocompatibility, in vitro screening, iC3, dialysis

Die moderne Tumormedizin hat das Ziel die deregulierte Wachstumskontrolle und die Überlebensstrategien maligner Tumoren zu überwinden. Mittels computerbasierter Methoden sollten hierzu in dieser Arbeit neue apoptoseinduzierende Substanzen gefunden und deren Wirksamkeit in späteren in vitro Experimenten überprüft werden. In drei Modellprojekten konnten neue Substanzen identifiziert werden, die Apoptose in Tumorzellen induzieren. Im ersten Projekt wurden Inhibitoren der an das COP9 Signalosom (CSN-) assoziierten Kinasen CK2 und PKD mittels der Leitstrukturen Curcumin und Emodin gefunden. Im zweiten Projekt wurde der Naturstoff Betulinsäure (betulinic acid, BA) bezüglich seines Wirkmechanismus untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die BA-induzierte Apoptose weitestgehend unabhängig von den pro- und anti-apoptotischen Proteinen der Bcl-2-Familie, aber in Abhängigkeit von aktiven Caspasen, ausgelöst wird. Durch ein in silico Screening und die Verwendung eines neuen Eigenschaftsfilters konnten neuen BA-Analoga identifiziert werden. Zur Bewertung der Ergebnisse des in silico Screenings wurden Daten des National Cancer Institutes (NCI) verwendet. Im dritten Projekt wurden mittels in silico Screening, Docking-Experimenten und in vitro Screenings zwei neue Bcl-2-Inhibitoren identifiziert, die derzeit in funktionellen Experimenten getestet werden. Durch den Einbau eines niedermolekularen, photoschaltbaren Moleküls an die Aminosäuren-Seitenketten des alpha-helikalen Peptides aus der BH3-Domäne von Bid konnte eine gezielte Aktivierung und damit auch eine gezielte Apoptoseinduktion in Tumorzellen ausgelöst werden. Die Methode des in silico Screenings hat gezeigt, dass die Zeit und Kosten für die Suche nach Wirkstoffen reduziert werden können. Die gefundenen Treffer können als neue Leitstrukturen für weitere in silico Screenings ihre Verwendung finden oder mit Hilfe von Optimierungsprozessen in weitere Stufen der Entwicklung eintreten. / Nowadays, cancer research is focused on the overcoming of survival strategies of malign tumors. In the present work, computer-based methods lead to the identification of novel apoptosis inducing molecules, whose potency should be validated in in vitro experiments. Novel compounds, which induce apoptosis in cancer cells, could be identified on the basis of three projects. Inhibitors for the COP9 signalosome (CSN) associated kinases CK2 and PKD could be discovered using curcumin and emodin as lead compounds. Investigations concerning the mechanism-of-action of betulinic acid (BA) should give information about the function of the Bcl-2 protein family in the BA induced cell death. The experiments, which are focused on the mitochondrial signalling pathway, revealed that BA induces apoptosis in an almost independent manner with regards to the pro- and anti-apoptotic Bcl-2 proteins, but dependent on the presence of activated caspases. Via an in silico screening and the utilisation of a new property filter, novel BA analogues could be identified. For the first time, the data of the National Cancer Institute (NCI) is employed to evaluate results from the in silico screening. In the third project two novel Bcl-2 inhibitors have been identified via in silico screenings, docking experiments and in vitro screenings, which are performed at the moment. The insertion of a photo-switchable compound to the amino acid side chain of an alpha-helical peptide from the pro-apoptotic protein Bid triggered the effect of a modulator, which results in a controllable activation and initiation of apoptosis in tumor cells. In silico screenings as a reliable method corroborated that a systematical evaluation of the virtual hits could decrease the time and costs of experimental testings. The identified hits could serve as novel lead compounds for further in silico screenings or enter the next steps in the development of novel drugs using optimisation methods.

La découverte de nouveaux agents antipaludiques est primordiale. A travers le monde, les chercheurs se sont focalisés sur plusieurs stratégies. Les plus développées sont : soit les tests de molécules issues de bibliothèques chimiques dans une recherche phénotypique (comme le test direct d’agents sur des cultures de parasites in vitro), soit la recherche de nouvelles molécules agissant sur l’activité d’une cible ou d’une voie spécifique et essentielle. Cette thèse est centrée sur le second type d’approche. Nous nous sommes intéressés aux transporteurs membranaires de P. falciparum. Pour cela, nous exprimons les protéines d’intérêt dans la levure et nous les purifions. Nous optimisons les tests fonctionnels, dans le but de : a) déterminer l’effet des molécules sur les cibles spécifiques ; b) tester leur effet sur les cultures d’érythrocytes infectés par P. falciparum in vitro ; c) vérifier leur toxicité sur des cellules de mammifères ; et d) réaliser le test des molécules les plus efficaces in vivo dans un modèle de paludisme murin. Notre travail actuel est focalisé sur l’ATPase6 de P. falciparum (PfATP6) et l’adénylate translocase (PfAdT), deux protéines membranaires essentielles localisées respectivement sur le réticulum endoplasmique et la membrane mitochondriale. Nous exprimons de manière hétérologue PfATP6 dans les membranes de levure, nous purifions la protéine et mesurons une activité ATPase spécifique. Nous avons ainsi pu tester une bibliothèque chimique importante et identifier des inhibiteurs spécifiques. Ces derniers ont ensuite été testés pour évaluer leur effet sur les stades érythrocytaires du parasite in vitro et leur cytotoxicité sur des cellules de mammifères. Pour le transporteur PfAdT, nous procédons comme pour PfATP6, mais nous avons choisi un autre type de test fonctionnel dans lequel la protéine est directement exprimée sur la membrane plasmique d’E. coli. Cela devrait permettre de mesurer le transport d’ATP radiomarqué, et l’identification d’inhibiteurs spécifiques dont les effets pourront être évalués sur des cultures de parasites in vitro et dans des essais de cytotoxicité. / New drug discovery for malaria treatment urges, now more than ever. There is no optimal solution to the search for new antimalarials. Worldwide, researchers have focused their energies on several strategies. The most commonly employed are: either by screening molecules issued from chemical libraries in a phenotypic way (i.e., direct testing of drugs on in vitro parasite cultures), or by searching for new molecules acting upon the activity of a specific essential target or pathway. This PhD thesis centers on the second type of approach. We are interested in targeting membrane transporters of P. falciparum. For this, we plan to express proteins of interest in yeast and proceed to their isolation. With optimized functional tests, we aim to: a) Determine the effect of molecules upon specific targets; b) Test their effect on P. falciparum in vitro erythrocytes cultures; c) As well as verify their toxicity on mammalian cells; and d) Perform in vivo testing of the best molecules on a rodent model for malaria. Our actual work is focused on the P. falciparum Ca2+ - ATPase 6 (PfATP6) and adenylate translocase (PfAdT), two essential membrane proteins localized on the endoplasmic-reticulum and the mitochondrial membrane, respectively. We were able to express heterologously PfATP6 in yeast membranes, purify the protein and measure a specific ATPase activity. With this, we have tested a large chemical library and identified specific inhibitors. These were then tested for their effect on in vitro blood stages of P. falciparum and for their cytotoxicity on mammalian cells. For the ATP/ADP carrier PfAdT, we proceeded as previously done with PfATP6 but we have also chosen another type of functional test where we express directly this protein in the plasma membrane of E. coli. This will enable in the future the measurement of radiolabelled ATP uptake, and the identification of specific inhibitors that could then be tested for their effect on P. falciparum in vitro cultures and for their cytotoxicity.

L'allergie alimentaire peut avoir des effets significatifs sur la morbidité et la qualité de vie. Il existe donc un intérêt considérable à générer de nouvelles stratégies thérapeutiques capables de réduire le risque de développer une atopie. Des études cliniques et expérimentales ont montré que l’allergie était associée à une dysbiose intestinale. Une modulation du microbiote intestinal pourrait ainsi aider à prévenir et traiter les maladies allergiques, justifiant l’utilisation rationnelle de souches probiotiques. L’objectif de mon travail a été de sélectionner au sein d’un panel de 31 souches bactériennes une ou plusieurs souche(s) probiotique(s) possédant des propriétés préventives dans l'allergie, à l'aide d'une combinaison d’approches in vitro et in vivo. Les propriétés immunomodulatrices des souches bactériennes ont été étudiées sur cellules mononucléées sanguines humaines et sur splénocytes murins orientés Th2. Les six souches qui ont induit un fort rapport IL10/IL12p70 et une faible sécrétion d'IFN-γ dans ces deux modèles cellulaires ont été testées pour leur effet protecteur dans un modèle murin d’allergie alimentaire à la β-lactoglobuline (BLG). Trois de ces six souches ont montré un effet protecteur sur l'allergie avec une diminution de la dégranulation des mastocytes et sur la sensibilisation avec une diminution des IgE et des IgG1 spécifiques de la BLG. L’étude de l'impact de ces trois souches sur l'équilibre T helper a montré qu’elles possédaient différents mécanismes d’action. Au niveau systémique, la souche LA307 s’est révélée immunosuppressive, la souche LA308 a induit un profil pro-Th1 et la souche LA305 a induit une réponse à la fois pro-Th1 et régulatrice. Au niveau iléal, l’induction de tolérance pourrait être générée par anergie pour la souche LA305 et par suppression active des réponses Th2 pour les souches LA307 et LA308. L’étude de l’impact de ces trois souches sur le microbiote ne permet pas de conclure que leur effet protecteur est lié à une modulation de la composition du microbiote. Ces résultats montrent que le criblage in vitro, basé sur les propriétés immunomodulatrices des candidats probiotiques, permet une présélection efficace avec trois des six souches sélectionnées ayant un effet protecteur in vivo. / Food allergy can have significant effects on morbidity and quality of life. There, the generation of efficient approaches to reduce the risk of developing food allergy is of considerable interest. Clinical and experimental studies have shown the association of allergy with intestinal dysbiosis. Thus, a modulation of the gut microbiota may contribute to the prevention and management of allergic diseases. This notion supports the use of probiotics.The aim of my study was to select, among a panel of 31 bacterial strains, probiotic strains with preventive properties in allergy using a combination of in vitro and in vivo approaches. Immunomodulatory properties of strains were studied on human blood mononuclear cells and on Th2 skewed splenocytes. The six strains inducing a high IL10/IL12p70 ratio and a low secretion of IFN-γ on both cellular models were tested for their protective impact in a murine model of food allergy to β-lactoglobulin (BLG). Three out of six strains showed a protective impact on sensitization with a decrease in allergen specific IgE and on allergy with a decrease in mast cell degranulation. The study of the impact on the T-helper balance for these 3 strains showed that they had different mechanisms of action. At the systemic level, LA307 strain proved to be immunosuppressive, LA308 strain induced a pro-Th1 profile and LA305 strain induced both, a pro-Th1 and a regulatory profile. At the ileal level, tolerance induction resulted from anergy for LA305 strain and from active suppression of Th2 responses for LA307 and LA308 strains. This study does not enable to conclude about the relationship between the protective impact of these 3 strains and the modulation of the composition of microbiota. These results reveal that the in vitro screening, based on immunomodulatory properties of candidate probiotics, allow an efficient pre-selection with three out of the six selected strains showing an in vivo protective impact.

Obwohl fetale Mißbildungen seit langem bekannt sind, wird eine intensive Prüfung von Arzneimitteln und anderen Substanzen erst seit den 1960er Jahren durchgeführt. Dem Tierschutzbericht von 2001 ist zu entnehmen, daß im Jahr 1999 insgesamt etwa 1,6 Millionen Wirbeltiere zu Versuchszwecken benötigt wurden. Als mögliche Alternative zu Untersuchungen mit Säugetieren wurde ein Testmodell mit Embryonen des Zebrabärblings (D. rerio) entwickelt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zu klären, ob sich mit den Embryonen von Danio rerio ein teratogenes Potential von Substanzen erkennen und quantifizieren läßt. Dazu wurde DarT (?Danio rerio Teratogenicity Assay?) als Teratogenitäts-Screening Test entwickelt. Es können anhand von toxikologischen Endpunkten sowohl die letalen als auch die subletalen Wirkungen von Substanzen bestimmt werden. Darüber hinaus werden anhand von teratogenen Endpunkten speziell Malformationen erfaßt. Der Vergleich der beobachteten Effekte und der daraus berechneten Wirkkonzentrationen gestattet eine Einschätzung des teratogenen Potentials von Substanzen. Die im DarT erzielten Ergebnisse werden mit der bekannten Zuordnungen des ?säugerteratogenen? Potentials verglichen. Für 88 % der getesteten Substanzen gibt DarT die aus säugertoxikologischen Untersuchungen bekannten Einordnungen hinsichtlich des teratogenen Potentials wieder. Für 10 % der Testsubstanzen wurde das teratogene Potential zu hoch, für 2 % zu niedrig eingeschätzt. Mit dem Testsystem ?Danio rerio Teratogenicity Assay ? DarT? ist ein Vergleich von Substanzen hinsichtlich ihres teratogenen und allgemein toxischen Potentials möglich. In einem Modell können Wirkkonzentrationen und Konzentrations-Wirkungs-Beziehung ermittelt und direkt verglichen werden. Mit DarT kann eine große Anzahl von Substanzen zeit- und kostengünstig untersucht werden. Die aus Untersuchungen mit Säugetieren bekannten Zuordnungen der teratogenen Potentiale von Substanzen wird gut wiedergegeben.