Tendon plays an important role in regulating body locomotion and providing additional stability to the body. However, tendon is susceptible to injuries and the healing process could be devastating along with the several issues, namely adhesion formations, slow healing and failure at fixation sites, which have deferred the success of proper tendon healing via tendon tissue engineering. This dissertation thus aims to create a sustained dual-drug therapy to address these issues. For adhesion formation, naproxen sodium (NPS) has been shown to be able to avoid this symptom through inhibiting inflammation process.

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Progressive loss of skeletal muscle mass, strength and function poses a major threat to independence and quality of life, particularly in the elderly. To date, sarcopenia therapy consists of resistance exercise training in combination with protein supplementation due to the limited efficacy of available pharmacological options in counteracting the effects of muscle wasting. Therapeutic intervention with growth factors including insulin-like growth factor I (IGF-I) or inhibitors of myostatin  a potent suppressor of myogenesis  hold potential to rebalance the altered activity of anabolic and catabolic cytokines. However, dosing limitations due to acute side effects and disruptions of the homeostasis have so far precluded clinical application. Intending to provide a therapy with a superior safety and efficacy profile by directing drug release to inflamed tissue and minimizing off-target activity, we designed bioresponsive delivery systems for an anti-catabolic peptide and anabolic IGF-I responding to local flares of muscle wasting. In Chapter I, current concepts for bioorthogonal conjugation methods are discussed and evaluated based on various drug delivery applications. With a focus on protein delivery, challenges and potential pitfalls of each chemical and enzymatic conjugation strategy are analyzed and opportunities regarding their use for coupling of biomolecules are given. Based on various studies conjugating proteins to polymers, particles and biomaterials using different site-directed approaches, the chapter summarizes available strategies and highlights certain aspects requiring particular consideration when applied to biomolecules. Finally, a decision process for selection of an optimum conjugation strategy is exemplarily presented. Three of these bioorthogonal coupling reactions are applied in Chapter II detailing the potential of site-directed conjugation in the development of novel, homogenous drug delivery systems. The chapter describes the design of a delivery system of a myostatin inhibitor (MI) for controlled and local release counteracting myositis flares. MI release from the carrier is driven by increased matrix metalloproteinase (MMP) levels in compromised muscle tissues cleaving the interposed linker, thereby releasing the peptide inhibitor from the particulate carrier. Release experiments were performed to assess the response towards various MMP isoforms (MMP-1, -8, -9 and -13) – as upregulated during skeletal muscle myopathies – and the release pattern of the MI in case of disease progression was analyzed. By selection of the protease-sensitive linker (PSL) showing variable susceptibilities to proteases, release rates of the MI can be controlled and adapted. Immobilized MI as well as released MI as response to MMP upregulation was able to antagonize the effects of myostatin on cell signalling and myoblast differentiation. The approach of designing bioresponsive protein delivery systems was also applied to the anabolic growth factor IGF-I, as described in Chapter III. Numerous studies of PEGylated proteins or peptides reveal, that successful therapy is challenged by safety and efficacy issues, as polymer attachment considerably alters the properties of the biologic, thereby jeopardizing clinical efficacy. To this end, a novel promising approach is presented, intending to exploit beneficial effects of PEGylation on pharmacokinetics, but addressing the pharmacodynamic challenges by releasing the protein upon entering the target tissue. This was realized by integration of a PSL between the PEG moiety and the protein. The soluble polymer conjugate was produced by site-directed, enzymatic conjugation of IGF-I to the PSL, followed by attachment of a 30 kDa-PEG using Strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC). This strategy illustrates the potential of bioorthogonal conjugation (as described in Chapter I) for generation of homogenous protein-polymer conjugates with reproducible outcome, but also emphasizes the altered protein properties resulting from permanent polymer conjugation. As compared to wild type IGF-I, the PEGylated protein showed considerable changes in pharmacologic effects – such as impaired insulin-like growth factor binding protein (IGFBPs) interactions, submaximal proliferative activity and altered endocytosis patterns. In contrast, IGF-I characteristics were fully restored upon local disintegration of the conjugate triggered by MMP upregulation and release of the natural growth factor. For successful formulation development for the proteins and conjugates, the careful selection of suitable excipients is crucial for a safe and reliable therapy. Chapter IV addresses one aspect by highlighting the chemical heterogeneity of excipients and associated differences in performance. Polysorbate 80 (PS80) is a surfactant frequently used in protein formulations to prevent aggregation and surface adsorption. Despite being widely deployed as a standard excipient, heterogeneous composition and performance entails the risk of eliciting degradation and adverse effects on protein stability. Based on a comprehensive study using different batches of various suppliers, the PS80 products were characterized regarding chemical composition and physicochemical properties, facilitating the assessment of excipient performance in a formulation. Noticeable deviations were recorded between different suppliers as well as between batches of the same suppliers. Correlation of all parameters revealed, that functionality related characteristics (FRCs) could be reliably predicted based on chemical composition alone or by a combination of chemical and physicochemical properties, respectively. In summary, this thesis describes and evaluates novel strategies for the targeted delivery and controlled release of biologics intended to counteract the imbalance of anabolic and catabolic proteins observed during aging and musculoskeletal diseases. Two delivery platforms were developed and characterized in vitro – (i) using anti-catabolic peptides immobilized on a carrier for local delivery and (ii) using soluble IGF-I polymer conjugates for systemic application. Both approaches were implemented by bioorthogonal coupling strategies, which were carefully selected in consideration of limitations, side reactions and efficiency aspects. Bioresponsive release of the active biomolecules following increased protease activity could be successfully realized. The therapeutic potential of these approaches was demonstrated using various cell-based potency assays. The systems allow targeted and controlled release of the growth factor IGF-I and anti-catabolic peptides thereby overcoming safety concerns of current growth factor therapy and thus positively impacting the benefit-risk profile of potent therapeutics. Taking potential heterogeneity and by-product concerns into account, comprehensive excipient characterization was performed and a predictive algorithm for FRCs developed, in order to facilitate formulation design and guarantee a safe and efficient therapy from start to finish. / Der zunehmende Verlust an Skelettmuskelmasse, Kraft und Funktion stellt insbesondere bei Älteren eine wesentliche Gefährdung der Unabhängigkeit und Lebensqualität dar. Bislang besteht die Sarkopenie-Therapie infolge der eingeschränkten Wirksamkeit verfügbarer pharmakologischer Möglichkeiten, den Auswirkungen des Muskelschwunds entgegenzuwirken, aus einer Kombination von Krafttraining und erhöhter Proteinzufuhr. Therapeutische Intervention mit Wachstumsfaktoren wie Insulin-like growth factor (IGF-I) oder Inhibitoren von Myostatin – eines wirkungsvollen Hemmstoffes der Myogenese – bietet das Potenzial, die veränderte Aktivität der anabolen und katabolen Zytokine wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Allerding haben Dosiseinschränkungen aufgrund akuter Nebenwirkungen und Beeinträchtigungen der Homöostase bislang eine klinische Anwendung ausgeschlossen. Mit der Absicht, eine Therapie mit besserem Sicherheits- und Wirksamkeitsprofil zu bieten, indem die Freisetzung des Wirkstoffs auf entzündetes Gewebe gelenkt wird und Aktivitäten außerhalb des Zielgewebes minimiert werden, entwickelten wir bioresponsive Freisetzungssysteme für ein antikataboles Peptid und das anabole IGF-I, die auf lokalen Ausbruch von Muskelschwund reagieren. In Kapitel I werden aktuelle Konzepte bioorthogonaler Konjugationsmethoden diskutiert und auf Basis einer Vielzahl von Drug Delivery Anwendungen beurteilt. Mit besonderem Fokus auf die Verabreichung von Proteinen werden Herausforderungen und Schwierigkeiten jeder chemischen und enzymatischen Konjugationsstrategie analysiert und Möglichkeiten im Hinblick auf ihre Verwendung für die Kopplung von Biomolekülen aufgezeigt. Auf Grundlage diverser Studien zur Verknüpfung von Proteinen mit Polymeren, Partikeln und Biomaterialien unter Verwendung verschiedener ortsspezifischer Ansätze, fasst das Kapitel vorhandene Strategien zusammen und hebt gewisse Aspekte hervor, die bei Anwendung auf Biomoleküle besondere Beachtung erfordern. Abschließend wird ein Entscheidungsprozess zur Auswahl einer optimalen Verknüpfungsstrategie exemplarisch dargestellt. Drei dieser bioorthogonalen Kopplungsreaktionen werden in Kapitel II angewendet, wodurch das Potenzial der ortsgerichteten Konjugation für die Entwicklung neuer, homogener Drug Delivery Systeme detailliert aufgezeigt wird. Dieses Kapitel beschreibt die Gestaltung eines Delivery Systems für einen Myostatin- Inhibitor (MI) für kontrollierte und lokale Freisetzung, um Myositis-Ausbrüchen entgegenzuwirken. Die Freisetzung des MI vom Träger wird durch erhöhte Konzentration an Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) in betroffenem Muskelgewebe vorangetrieben, die durch Spaltung des dazwischen positionierten Linkers das Peptid vom Partikelträger freisetzen. Es wurden Freisetzungsexperimente durchgeführt, um die Reaktion gegenüber mehreren MMP-Isoformen (MMP-1, -8, -9 und -13), die im Verlauf von Skelettmuskelmyopathien hochreguliert sind, festzustellen, und es wurde das Freisetzungsmuster des MI im Falle einer Krankheitsprogression analysiert. Durch Auswahl der Protease-sensitiven Linker (PSL), die unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber Proteasen zeigen, können die Freisetzungsraten des MI kontrolliert und angepasst werden. Sowohl der immobilisierte MI, als auch der auf MMP-Hochregulation hin freigesetzte MI, waren dazu in der Lage, die Wirkungen von Myostatin auf Signaltransduktion von Zellen und Myoblastendifferenzierung aufzuheben. Das Konzept, bioresponsive Delivery Systeme für Proteine zu designen, wurde auch auf den anabolen Wachstumsfaktor IGF-I angewendet, wie in Kapitel III beschrieben wird. Zahlreiche Studien zu PEGylierten Proteinen oder Peptiden offenbaren, dass eine erfolgreiche Therapie durch Sicherheits- und Wirksamkeitsprobleme herausgefordert wird, da der Polymeranhang die Eigenschaften des biologischen Wirkstoffs beachtlich verändern und dadurch die klinische Wirksamkeit gefährden kann. Zu diesem Zweck wird ein neuer, vielversprechender Ansatz vorgestellt, mit der Absicht, die vorteilhaften Auswirkungen der PEGylierung auf die Pharmakokinetik zu nutzen, aber auch die pharmakodynamischen Herausforderungen dadurch zu adressieren, dass das Protein bei Eintritt ins Zielgewebe freigesetzt wird. Das wurde durch Einfügen eines PSL zwischen den PEG-Teil und das Protein erreicht. Das lösliche Polymerkonjugat wurde durch ortsspezifische, enzymatische Konjugation von IGF-I an den PSL hergestellt, gefolgt von Verknüpfung mit einem 30k Da-PEG unter Verwendung von kupferfreier Azid-Alkin Cycloaddition (SPAAC). Diese Strategie veranschaulicht das Potenzial der bioorthogonalen Konjugation (wie in Kapitel I beschrieben) zur Erzeugung homogener Protein-Polymer-Konjugate mit reproduzierbarem Ergebnis, aber betont auch die veränderten Proteineigenschaften, die sich aus der dauerhaften Polymerkonjugation ergeben. Verglichen mit dem Wildtyp-IGF-I zeigte das PEGylierte Protein beachtliche Veränderungen der pharmakologischen Eigenschaften, wie verminderte Interaktionen mit Insulin-like growth factor Bindungsproteinen (IGFBPs), eine submaximale proliferative Aktivität und ein verändertes Endozytosemuster. Im Gegensatz dazu wurden die Eigenschaften von IGF-I bei lokaler Spaltung des Konjugates durch MMP-Hochregulation und Freisetzung des natürlichen Wachstumsfaktors vollständig wiederhergestellt. Für eine erfolgreiche Formulierungsentwicklung der Proteine und Konjugate ist eine sorgfältige Auswahl geeigneter Hilfsstoffe für eine sichere und zuverlässige Therapie essenziell. Kapitel IV befasst sich mit einem Aspekt davon, indem die chemische Heterogenität von Hilfsstoffen und damit verbundene Unterschiede in der Leistung hervorgehoben werden. Polysorbat 80 (PS80) ist ein in Proteinformulierungen häufig verwendeter Hilfsstoff, der Aggregation und Oberflächenadsorption verhindern soll. Trotz dieser breiten Anwendung als Standardhilfsstoff birgt die heterogene Zusammensetzung und Performance Risiken, wie eine begünstigte Zersetzung und nachteilige Auswirkungen auf die Proteinstabilität. Auf Basis einer umfassenden Studie mit verschiedenen Chargen diverser Anbieter wurden die PS80 Produkte hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer physikochemischen Eigenschaften charakterisiert, um eine Beurteilung der Hilfsstoffperformance in einer Formulierung zu ermöglichen. Auffällige Abweichungen sowohl zwischen unterschiedlichen Anbietern, also auch zwischen Chargen des gleichen Anbieters konnten verzeichnet werden. Die Korrelation aller Parameter ergab, dass funktionalitätsbezogene Eigenschaften (FRCs) auf Basis der chemischen Zusammensetzung alleine bzw. durch eine Kombination aus chemischen und physikochemischen Eigenschaften zuverlässig prognostiziert werden konnten. Zusammenfassend beschreibt und bewertet diese Dissertation neue Strategien für eine zielgerichtete und kontrollierte Freisetzung von biologischen Wirkstoffen mit der Absicht, dem Ungleichgewicht zwischen anabolen und katabolen Proteinen, welches im Laufe der Alterung und im Zuge muskuloskelettaler Erkrankungen beobachtet wird, entgegenzuwirken. Zwei Wirkstoff-Verabreichungsplattformen wurden entwickelt und in vitro charakterisiert: (i) unter Verwendung antikataboler Peptide, die für eine lokale Applikation auf einem Träger immobilisiert werden, und (ii) unter Verwendung löslicher IGF-I-Polymer Konjugate für die systemische Anwendung. Beide Ansätze wurden mittels bioorthogonaler Kopplungsstrategien, die unter Berücksichtigung von Einschränkungen, Nebenreaktionen und Effizienzaspekten sorgfältig ausgewählt wurden, durchgeführt. Die bioresponsive Freisetzung der aktiven Biomoleküle als Folge einer erhöhten Proteaseaktivität konnte erfolgreich umgesetzt werden. Das therapeutische Potenzial dieser Ansätze wurde anhand mehrerer zellbasierter Wirksamkeitsassays gezeigt. Die Systeme ermöglichen eine zielgerichtete und kontrollierte Freisetzung des Wachstumsfaktors IGF-I und antikataboler Peptide, wobei sie die Sicherheitsbedenken aktueller Wachstumsfaktortherapie bewältigen und somit das Nutzen-Risiko-Profil hochwirksamer Therapeutika positiv beeinflussen. Unter Berücksichtigung der potenziellen Bedenken bezüglich Heterogenität und Nebenprodukten wurde eine umfassende Hilfsstoffcharakterisierung durchgeführt und ein prognostischer Algorithmus für FRCs entwickelt, um die Formulierungsentwicklung zu erleichtern und eine sichere und effiziente Therapie von Anfang bis zum Ende zu garantieren.

Insulin-like growth factor-I (IGF-I) is a 70-amino acid polypeptide with a molecular weight of approximately 7.6 kDa acting as an anabolic effector. It is essential for tissue growth and remodeling. Clinically, it is used for the treatment of growth disorders and has been proposed for various other applications including musculoskeletal diseases. Unlike insulin, IGF-I is complexed to at least six high-affinity binding proteins (IGFBPs) exerting homeostatic effects by modulating IGF-I availability to its receptor (IGF-IR) on most cells in the body as well as changing the distribution of the growth factor within the organism.1-3 Short half-lived IGF-I have been the driving forces for the design of localized IGF-I depot systems or protein modification with enhanced pharmacokinetic properties. In this thesis, we endeavor to present a versatile biologic into which galenical properties were engineered through chemical synthesis, e.g., by site-specific coupling of biomaterials or complex composites to IGF-I. For that, we redesigned the therapeutic via genetic codon expansion resulting in an alkyne introduced IGF-I, thereby becoming a substrate for biorthogonal click chemistries yielding a site-specific decoration. In this approach, an orthogonal pyrrolysine tRNA synthetase (PylRS)/tRNAPyl CUA pair was employed to direct the co-translational incorporation of an unnatural amino acid—¬propargyl-L-lysine (plk)—bearing a clickable alkyne functional handle into IGF-I in response to the amber stop codon (UAG) introduced into the defined position in the gene of interest. We summarized the systematic optimization of upstream and downstream process alike with the ultimate goal to increase the yield of plk modified IGF-I therapeutic, from the construction of gene fusions resulting in (i) Trx-plk-IGF-I fusion variants, (ii) naturally occurring pro-IGF-I protein (IGF-I + Ea peptide) (plk-IGF-I Ea), over the subsequent bacterial cultivation and protein extraction to the final chromatographic purification. The opportunities and hurdles of all of the above strategies were discussed. Evidence was provided that the wild-type IGF-I yields were pure by exploiting the advantages of the pHisTrx expression vector system in concert with a thrombin enzyme with its highly specific proteolytic digestion site and multiple-chromatography steps. The alkyne functionality was successfully introduced into IGF-I by amber codon suppression. The proper folding of plk-IGF-I Ea was assessed by WST-1 proliferation assay and the detection of phosphorylated AKT in MG-63 cell lysate. The purity of plk-IGF-I Ea was monitored with RP-HPLC and SDS-PAGE analysis. This work also showed site-specific coupling an alkyne in plk-IGF-I Ea by copper (I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) with potent activities in vitro. The site-specific immobilization of plk-IGF-I Ea to the model carrier (i.e., agarose beads) resulted in enhanced cell proliferation and adhesion surrounding the IGF-I-presenting particles. Cell proliferation and differentiation were enhanced in the accessibility of IGF-I decorated beads, reflecting the multivalence on cellular performance. Next, we aimed at effectively showing the disease environment by co-delivery of fibroblast growth factor 2 (FGF2) and IGF-I, deploying localized matrix metalloproteinases (MMPs) upregulation as a surrogate marker driving the response of the drug delivery system. For this purpose, we genetically engineered FGF2 variant containing an (S)-2-amino-6-(((2-azidoethoxy)carbonyl)amino)hexanoic acid incorporated at its N-terminus, followed by an MMPs-cleavable linker (PCL) and FGF2 sequence, thereby allowing site-directed, specific decoration of the resultant azide-PCL-FGF2 with the previously mentioned plk-IGF-I Ea to generate defined protein-protein conjugates with a PCL in between. The click reaction between plk-IGF-I Ea and azide-PCL-FGF2 was systematically optimized to increase the yield of IGF-FGF conjugates, including reaction temperature, incubation duration, the addition of anionic detergent, and different ratios of the participating biopharmaceutics. The challenge here was that CuAAC reaction components or conditions might oxidize free cysteines of azide-PCL-FGF2 and future work needs to present the extent of activity retention after conjugation. Furthermore, our study provides potential options for dual-labeling of IGF-I either by the introduction of unnatural amino acids within two distinct positions of the protein of interest for parallel “double-click” labeling of the resultant plk-IGF-I Ea-plk or by using a combination of enzymatic-catalyzed and CuAAC bioorthogonal coupling strategies for sequentially dual-labeling of plk-IGF-I Ea. In conclusion, genetic code expansion in combination with click-chemistry provides the fundament for novel IGF-I analogs allowing unprecedented site specificity for decoration. Considerable progress towards IGF-I based therapies with enhanced pharmacological properties was made by demonstrating the feasibility of the expression of plk incorporated IGF-I using E. coli and retained activity of unconjugated and conjugated IGF-I variant. Dual-labeling of IGF-I provides further insights into the functional requirements of IGF-I. Still, further investigation warrants to develop precise IGF-I therapy through unmatched temporal and spatial regulation of the pleiotropic IGF-I. / Insulin-like growth factor-I (IGF-I) ist ein 70 Aminosäuren langes Polypeptid mit einem Molekuargewicht von 7,5 kDa, dass als anaboler Effektor wirkt und dadurch eine essentielle Rolle in Gewebewachstum und -umbau spielt. Klinisch wird IGF-I für die Behandlung von Wachstumsstörungen verwendet und ist für weitere Anwendungen wie muskuloskelettale Erkrankungen von Interesse. Im Gegensatz zu Insulin wird IGF-I von mindestens sechs hochaffinen Bindungsproteinen (IGFBPs) komplexiert, die homöostatisch regulierend wirken, indem sie die Verfügbarkeit von IGF-I zu seinem Rezeptor (IGF-IR) auf vielen Zellen modulieren und ebenso die Verteilung des Wachstumsfaktors im Körper steuern. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit von IGF-I wurde die Entwicklung von lokalen IGF-I Depot-Systemen und von auf Proteinebene modifizierten IGF-I-Varianten mit verbesserten pharmakokinetischen Eigenschaften vorangetrieben. In der vorliegenden Arbeit sind wir bestrebt ein vielseitiges Biopharmazeutikum zu präsentieren, das hinsichtlich seiner galenischen Eigenschaften optimiert wurde, z. B. durch chemische Modifikation, wie ortsspezifische Kopplung von IGF-I an Biomaterialien oder komplexe Verbundstoffe. Für diesen Zweck wurde das Therapeutikum neu entworfen und über die Erweiterung des genetischen Codes eine Alkin-Funktionalität eingefügt. Durch dieses Alkin wird IGF-I zugänglich für die Modifizierung mit bio-orthogonaler, ortsspezifischer „Click-Chemie“. In diesem Ansatz wird ein orthogonales Pyrrolysin tRNA-Synthase (PylRS)/tRNAPyl-CUA – Paar verwendet, um den co-translationalen Einbau einer unnatürlichen Aminosäure — Propargyl-L-lysine (Plk) —, die eine Alkin-Funktionalität für Click-Reaktionen enthält, an Stelle des Amber-Stop-Codons (UAG) im entsprechenden Gen, im IGF-I-Protein zu gewährleisten. Die systematische Optimierung von Up- und Downstream-Prozessen, mit dem Ziel die Ausbeute von Plk-modifiziertem IGF-I-Biopharmazeutikum zu erhöhen, wurden zusammengefasst: von der Konstruktion von Genfusionen, die in (i) einer Trx-plk-IGF-I Fusionsvariant und (ii) natürlich vorkommendem pro-IGF-I Protein (IGF-I + Ea peptide) (Plk-IGF-I Ea) resultierten, über die folgende Expression in Bakterien und Proteinextraktion, bis hin zur finalen chromatographischen Reinigung des Biopharmazeutikums. Die Möglichkeiten und Schwierigkeiten aller oben genannten Strategien wurden diskutiert. Es wurde gezeigt, dass die Wildtyp-IGF-I-Ausbeuten durch den Einsatz des vorteilhaften pHisTrx-Expressionsvektor-Systems zusammen mit dem Enzym Thrombin und seiner hochspezifischen proteolytischen Spaltstelle und mehrfacher chromatographischer Aufreinigung einen hohen Reinheitsgrad aufwiesen. Die Alkin-Funktionalität wurde erfolgreich durch Unterdrückung des Amber-Codons in IGF-I eingeführt. Die richtige Faltung von Plk-IGF-I Ea wurde durch den WST-1 Proliferationsassay und den Nachweis von phosphorylierten Akt in MG-63-Zelllysat nachgewiesen. Die Reinheit von Plk-IGF-I Ea wurde durch RP-HPLC- und SDS-PAGE-Analyse überwacht. In dieser Arbeit konnte auch gezeigt werden, dass die ortspezifische Kopplung von Alkinen an Plk-IGF-I Ea durch Kupfer(I)-katalysierte Azid-Alkin Zykloaddition (CuAAC) in einem Produkt mit hoher in vitro Aktivität resultiert. Die ortspezifische Immobilisierung von Plk-IGF-I Ea an einem Modell-Trägersystem (hier: Agarosepartikel) führte zu einer verbesserten Zellproliferation und Zelladhäsion in der Umgebung der IGF-I-präsentierenden Partikel. Der vielfältige Einfluss von IGF-I auf Zellen wird durch die verbesserte Zellproliferation und -differenzierung durch die Verfügbarkeit von IGF-I präsentierenden Partikeln widergespiegelt. Als Nächstes setzten wir uns zum Ziel den Krankheitseinfluss durch die gleichzeitige Anwendung von Fibroblast-Wachstumsfaktor 2 (FGF2) und IGF-I zu zeigen, indem wir uns der lokalen Hochregulierung von Matrixmetalloproteinasen (MMPS) als Surrogat-Krankheitsmarker bedienten, der die Antwort des Drug Delivery-Systems auslöst. Zu diesem Zweck wurde eine FGF2-Variante genetisch modifiziert, sodass sie am N-Terminus eine (S)-2-amino-6-(((2-azidoethoxy)carbonyl)amino)Hexansäure trägt - gefolgt von einen durch MMPs spaltbaren Verbindungsstück (PCL) und der FGF2 Sequenz - und dadurch die gezielte, spezifische Konjugation des resultierenden Azid-PCL-FGF2 mit dem vorher erwähnten Plk-IGF-I Ea ermöglicht, um definierte Protein-Protein-Konjugate, die mit einem PCL verbunden sind, zu erzeugen. Die Click-Reaktion zwischen Plk-IGF-I Ea und Azid-PCL-FGF2 wurde zur Erhöhung der IGF-FGF Ausbeute systematisch optimiert, indem die Parameter Temperatur, Inkubationsdauer, Zugabe von anionischem Tensid und verschiedene Eduktverhältnisse untersucht wurden. Es gilt zu bedenken, dass die in der CuAAC Reaktion eingesetzten Komponenten oder Reaktionsbedingungen freie Cysteinreste von Azid-PCL-FGF2 oxidieren können und es in Zukunft gilt, die verbleibende Aktivität nach Proteinkonjugation zu bestimmen. Des Weiteren zeigen unsere Untersuchungen potentielle Möglichkeiten für duale Konjugation von IGF-I entweder durch die Einführung einer unnatürlichen Aminosäure an zwei verschiedenen Positionen innerhalb des Proteins (Plk-IGF-I Ea-Plk) für parallele „Doppel-Click“-Konjugation oder durch die Kombination bioorthogonaler Kopplungsreaktionen - einer enzymkatalysierten Reaktion und CuAAC - für sequentielles duales Verknüpfen von Plk-IGF-I Ea. Schlussendlich stellt die Erweiterung des genetischen Codes in Kombination mit Click-Chemie eine Grundlage für neue IGF-I-Analoga dar, die eine noch nie dagewesene Ortsspezifität für Konjugationen besitzen. Ein entscheidender Fortschritt hin zu IGF-I basierten Therapeutika mit verbesserten pharmakologischen Eigenschaften wurde durch die Expression, Reinigung und Konjugation von bioaktivem IGF-I mit Plk sowie konjugierten IGF-I Varianten erreicht. Duales Modifizieren von IGF-I erlaubt weitere Einblicke in die funktionalen Anforderungen an IGF-I. Dennoch sind weitere Untersuchungen nötig, um eine gezielte IGF-I Therapie trotz der unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Regulierung des pleiotropen IGF-I zu ermöglichen.

Life-history trade-offs have been well-documented within the literature through correlational and experimental studies. However, the physiological mechanisms underlying these trade-offs are less understood. Currently, there is great interest in shared mechanisms, specifically endocrine mechanisms, that might underlie the variation in life-history traits. Insulin-like growth factor-1 (IGF-1) may be one shared mechanism that is particularly important. IGF-1 is a metabolic hormone that is part of a highly conserved insulin-signaling pathway known to influence multiple life-history traits including growth and longevity across taxa, however, little is known about these trade-offs outside of laboratory populations. This dissertation focuses on the role of IGF-1 as a hormonal mechanism underlying the life-history trade-off between growth and aging in wild birds. While the causes of aging are not fully understood, telomere dynamics (length and change in length) are a potentially important mechanism underlying lifespan. To investigate the role of IGF-1 as a hormonal mechanism underlying the life-history trade-off between growth and aging in Franklin’s gulls (Leucophaeus pipixcan) and house sparrows (Passer domesticus). In Franklin’s gulls, dietary restriction reduced growth rate and IGF-1 levels but did not impact telomere dynamics. However, there was a significant negative correlation between IGF-1 levels and telomere length at the end of the post-natal growth period. In house sparrows, we found that nestling growth rates varied with respect to year, but IGF-1 levels did not. Telomere dynamics were not related to growth rates or IGF-1 levels, suggesting that during post-natal growth nestlings may be able to mitigate or even delay costs to later life stages. Finally, when exogenous IGF-1 was administered to house sparrow nestlings during the post-natal growth period, nestling growth was impacted but only in some years. Exogenous IGF-1 increased growth and final mass in 2016 and final mass in 2018. There was a trend suggesting experimental birds had shorter telomeres in 2016. Similarly, in 2018, experimental birds had significantly shorter telomeres than control birds. These effects were not observed in 2017, suggesting that trade-offs between growth an aging might only be visible under certain environmental conditions, which may vary with respect to year.

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Insulin-like growth factor binding proteins (IGFBP) are modulators of insulin-like growth factor I (IGF-I), which functions as a regulator of cartilage and bone development. Rapid growth and high starch diets have been associated with increased circulating concentrations of IGF-I, which lead to developmental orthopedic disorders in foals. The objective of this study was to assess the effects of age, diet, growth and season on plasma IGFBP and IGF-I concentrations from birth to 16 mo of age in Thoroughbred foals. Twenty-two mares maintained on mixed grass/legume pasture were randomly divided into two dietary groups and fed either a high starch and sugar supplement (SS) or a starch-restricted fiber and fat supplement (FF) for 3 mo prior to and after foaling. Monthly blood samples were obtained from SS and FF foals up to 16 mo of age and analyzed for IGF-I using an RIA and IGFBP using western ligand blot analysis. Auxilogical measurements of foals were also obtained each month. The effect of diet, month, and diet*month interactions upon the subject horse (diet) were analyzed using a mixed model with repeated measures, and correlations of normally distributed data were calculated using Pearson's correlation. Six IGFBP bands of molecular weights 109, 39, 36, 35, 34, and 33 kDa were identified in foal plasma. Doublet bands were recognized at 109, 39, and 35 kDa, however they were not all believed to be singular pure IGFBP. A band with a molecular weight of 213 kDa was observed and presumed to be a ternary complex of IGFBP-3, IGF-I, and an acid labile subunit. The IGFBP 109 kDa has been previously recognized as a band unique to the equine, it was not a singular pure IGFBP because of its high molecular weight. No effect of diet on plasma IGFBP was found in individual sampling of yearlings, but an effect of month was noted when testing May - August 2001 against May - August 2002 in pooled plasma samples with concentrations of the IGFBP 39 kDa increasing (P < 0.0003). In contrast, concentrations of the IGFBP's 33, 34 and 36 kDa decreased (P < 0.003, P < 0.0002, and P < 0.0003 respectively). Environmental effects were noted upon IGFBP's 33, 36, 39, and 109 kDa (P < 0.003, P < 0.001, P < 0.04, and P < 0.01) with a temperature*daylength interaction. Correlations existed between ADG and IGFBP 33 (r = 0.64; P < 0.0001), 34 (r = 0.40; P < 0.0001), 35 (r = 0.33; P < 0.0006), 36 (r = 0.47; P < 0.0001), and 39 kDa (r = - 0.18, P < 0.02). A correlation was also found between IGF-I and ADG (r = 0.11; P < 0.04), confirming the previously reported relationship of IGF-I in growth rate of foals. These results underline the importance of characterizing the activity of IGFBP's in relation to growth, age and season when interpreting changes of the somatotropic axis. Further, the increase in certain IGFBP's and simultaneous decrease in others stress the need for further research on the tissue specific modulating effects that IGFBP's have on IGF-I. / Master of Science

Das Mutationsspektrum einzelner Gene beziehungsweise zusammengefasster Gengruppen innerhalb von Signalwegen bei Patienten mit Multiplem Myelom wurde in den letzten Jahren eingehend untersucht und charakterisiert. Die Herausforderung besteht nun in der Interpretation der erhobenen Daten, insbesondere der Bewertung einzelner durch Sequenzierung identifizierter Biomarker bezüglich deren prognostischer Aussagekraft und konkreter therapeutischer Relevanz. Als übergeordnetes Ziel gilt die Ableitung von klinischen (Therapie-) Ansätzen. Auf dem Weg zu einem individualisierten Therapieansatz ist entscheidend, dass wir unser Wissen über die funktionelle Relevanz einzelner Mutationen wie hier im IGF1R im Hinblick auf deren Einbettung in Signalnetzwerke und auf das Proliferationsverhalten der MM Zellen erweitern. Konkret wurde im Rahmen der vorliegende Doktorarbeit der Einfluss von zwei IGF1R Punktmutationen, nämlich D1146N (Punktmutation des IGF1R der HMCL L-363) und N1129S (Punktmutation des IGF1R eines Patienten der DSMM XI Kohorte) auf die Proliferation und das nachgeschaltete Signalling in IGF1R-Überexpressionsmodellen der MM Zelllinien AMO-1 und U-266 untersucht. Zur stabilen Transfektion der HMCLs mit IGF1RWT und den zwei IGF1R Mutanten wurde ein Protokoll auf Grundlage des Sleeping Beauty (SB) Transposase Systems genutzt. In dieser und anderen assoziierten Arbeit konnte unter zu Hilfenahme von insgesamt vier verschiedenen gentechnisch veränderter HMCLs gezeigt werden, dass funktionelle Mutationen im IGF1R Effekte auf das Downstream Signalling zum Beispiel die Aktivierung von AKT und ERK, jedoch nicht auf die Zellproliferation haben. Im Vergleich der untersuchten HMCLs konnten jedoch keine verallgemeinerbaren Schlüsse gezogen werden, was die Heterogenität der Erkrankung und die Wichtigkeit der Einzelfallbetrachtung unterstreicht. / Multiple myeloma (MM) is a malignant disease of the plasma cell and represents around 15% of all hematological neoplasms. There is a marked heterogeneity in terms of the severity of the disease, the progression and prognosis of the patients. This is also reflected in the underlying genetic heterogeneity. Genetic screenings at diagnosis and during the course of the disease are therefore essential. However, a better understanding of the pathogenesis of MM and the influence of individual genetic aberrations is essential to achieve improvements in personalized, targeted and, above all, risk-adapted therapy. The dysregulation of Receptor Tyrosine Kinases (RTKs), which significantly influences growth and progression, plays a decisive role in many types of cancer. Hence, RTKs also represent interesting target structures for cancer therapy. Specific RTK inhibitors have been a fixed element of oncological therapy in guidelines for many years with good therapeutic results, e. g. for breast, colon, or lung cancer. RTK signal transduction also plays an important role in MM. In a next generation sequencing study on a MM cohort, tumor-associated mutations were detected in RTK genes, which were associated with a significantly poorer prognosis. IGF1R was among the most frequently mutated RTKs in this. It has a decisive influence on e. g. cell proliferation of MM cells and therefore plays an important role in the pathogenesis of MM. Studies also suggest a connection between IGF1R overexpression and disease progression. IGF1R inhibitors were tested in clinical phase 1 studies as a monotherapy without significantly improved clinical response. However, in combination schemes with dexamethasone and bortezomib in patients with relapsed or refractory disease better results have been achieved. They cause manageable side effects and are promising concerning the length and depth of remission, especially in proteasome inhibitor refractory patients. Based on this information a project of the AG Leich aimed to study the influence of IGF1R and specifically IGF1R mutations in different HMCLs by means of functional analysis to identify patient cohorts, who might benefit from a therapy with IGF1R inhibitors. More specifically, the influence of two IGF1R mutations, namely D1146N (point mutation of IGF1R in the HMCL L-363) and N1129S (point mutation of IGF1R in a patient of the DSMM XI cohort), on proliferation and downstream signaling was to be investigated in IGF1R-overexpression models of the HMCLs AMO-1 and U-266 in this doctoral thesis. A protocol based on the Sleeping Beauty (SB) Transposase System was used for stable transfection of the HCMLs with IGF1RWT and the two IGF1R mutants. An increased expression or activation of downstream effectors could be detected in AMO-1. For example, the degree of phosphorylation of MEK and ERK in all three AMO-1 IGF1R overexpression cell lines (WT and two IGF1R mutant cell lines) under normal cell culture conditions seemed to be elevated in comparison to the empty vector control. However, no mutant specific differences could be detected even after stimulation with IGF1. Regarding IGF1R overexpression cell lines that were derived from U-266, expression and activation of IGF1R was especially pronounced for the IGF1R mutant IGF1RN1129S. In contrast, expression and activation of AKT, MEK and ERK in this IGF1R mutant overexpression cell line compared to the WT overexpression cell line, were not distinctively higher. Thus, it seems as if the role of IGF1R in different HMCLs varies, which could be also shown in other MM in vitro studies. The proliferation rate of the individual cell lines was not measured higher due to the overexpression of IGF1R, although important kinases such as AKT, MEK and ERK with their great importance concerning survival, growth and proliferation had been induced. Examinations with the IGF1R inhibitor Linsitinib on different HMCLs in subsequent studies of the AG Leich showed a reduction in metabolism in six out of seven cell lines, whereby the response was highly variable across cell lines and was independent of the IGF1R expression level or the IGF1R mutational status. Clear signs of apoptosis could be only detected in the HMCL MM1.S. An additive effect when combining Linsitinib with the proteasome inhibitor Carfilzomib, mostly used for therapy of refractory MM, was only detected in the IGF1R mutated HMCL L-363. Therefore, this combination might be a promising approach for patients with refractory MM, especially for patients with a IGF1R mutation. However, those compiled preliminary findings should be examined more closely in further in vitro and in vivo studies to determine the therapeutic potential of IGF1R inhibitors applied solely or in combination schemes with other specific inhibitors (e. g. iAKT or iMEK) or licensed standard drugs for patients with IGF1R mutations.

Das MM ist eine maligne Erkrankung, die von biologischer und klinischer Heterogenität geprägt ist. Sie ist durch die monoklonale Vermehrung von Plasmazellen charakterisiert. In vorangegangenen Studien wurde eine Häufung von Mutationen in RTK nachgewiesen. Diese gingen mit einem negativen Einfluss auf das Überleben von MM Patientinnen und Patienten einher. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des IGF1R an HMZL mittels siRNA-vermitteltem IGF1R-Knockdown untersucht und dessen Effekt auf das Signalnetzwerk mittels Western Blot Analysen ermittelt. Um die Heterogenität des MM besser abzubilden, wurden sechs verschiedenen HMZL ausgewählt. Der IGF1R-Knockdown war in allen HMZL sowohl anhand der Reduktion der IGF1R-Expression als auch der IGF1R-Aktivierung deutlich nachweisbar. Stellvertretend für den PI3K/AKT Signalweg wurde die AKT-Aktivierung untersucht, welche nach IGF1R-Knockdown in allen Linien abnahm. Im Ras/Raf/MEK/ERK Signalweg fiel eine deutliche Reduktion der ERK1/2- und MEK-Aktivierung in den von PCL stammenden HMZL L-363 und MM.1S, sowie in JJN-3 mit der Hochrisikotranslokation t(14;16) auf. Entsprechend der Beobachtungen für die AKT-Aktivierung, nahm die PYK2-Aktivierung in allen HMZL nach IGF1R-Knockdown ab, was auf ein Zusammenspiel von IGF1R, PYK2 und AKT in allen HMZL hindeutet. Zukünftige Untersuchungen werden zeigen, ob IGF1R Inhibitoren alleine oder in Kombination mit z.B. AKT, PYK2 oder Proteasomen-Inhibitoren in bestimmten molekularen MM Subgruppen ein effektives therapeutisches Ziel sind. / MM is a haematological malignancy of great biological and clinical heterogeneity. It is characterised by monoclonal proliferation of plasma cells. The accumulation of mutations in RTK has previously been reported and was associated with a negative impact on MM patient survival. The IGF1R influence on its downstream signaling in HMCL was investigated using a siRNA mediated IGF1R-knockdown and Western Blot analysis. Six different HMCL were chosen to reflect this heterogenous disease. The IGF1R-knockdown successfully reduced both expression and activation level of IGF1R in all HMCL. Furthermore, phosphorylation level of AKT, representing the PI3K/AKT pathway, decreased in all six HMCL following the IGF1R-knockdown. For the analysis of the Ras/Raf/MEK/ERK pathway both ERK1/2 and MEK were selected. Following the IGF1R-knockdown phosphorylation level of ERK1/2 and MEK were reduced in HMCL L-363 and MM.1S, both derived from patients with plasma call leukaemia and in JJN-3 which harbours t(14;16), a high risk translocation. In accordance with decreased activation level in AKT the IGF1R-knockdown resulted in reduced phosphorylation level of PYK2 in all six HMCL suggesting an interaction of IGF1R, PYK2 and AKT. Future research will reveal whether IGF1R inhibition by itself or in combination with e.g. AKT, PYK2 or proteasome inhibitors will be an effective therapeutic target in selected molecular MM subgroups.

Dentre os diversos fatores que provocam diminuição no desempenho reprodutivo, a degeneração testicular térmica é o motivo mais freqüente de baixa fertilidade em Bos taurus no Brasil. Baseados nos efeitos sobre a secreção de hormônios hipofisários e gonadais, o GH vem sendo estudado para o tratamento da infertilidade masculina. Um delineamento experimental tipo blocos ao acaso utilizou dezesseis touros adultos submetidos a 4 tratamentos em esquema fatorial 2x2 (0 e 96 horas de insulação testicular, 0 e 1,2 mg bST/kg PV), com o objetivo de testar os efeitos da bST no tratamento de touros submetidos a insulação testicular. Motilidade, alterações de acrossoma, defeitos de cauda e cabeça, gota protoplasmática proximal e defeitos espermáticos totais aumentaram em conseqüência da insulação testicular. As concentrações seminais de Testosterona foram temporariamente diminuídas em resposta a insulação testicular. A ocorrência de gota protoplasmática distal, anomalias de peça intermediária e concentrações seminais de IGF1 não foram afetadas pela insulação testicular. A somatotropina recombinante bovina não afetou as características espermáticas ou concentrações seminais de Testosterona e IGF1. / Testicular heat degeneration is the most common cause of poor fertility of Bos taurus bulls in the tropics. The Growth Hormone has been studied in man infertility treatment with some progress. A randomly blocks experimental design used 16 mature bulls allotted in 4 treatments in a 2x2 factorial arrangement (0 e 96 hours of scrotal insulation, 0 e 1,2 mg bST/kg BW) was performed to asses the effects ob bulls submitted to scrotal insulation. Motility, abnormal acrosome, tail and head defects, proximal droplet, and abnormal sperm increased, and seminal plasma Testosterone was temporally increased in response to scrotal insulation. Distal droplet, midpiece and seminal plasma IGF1 were not affected by bST. The bST did not affect sperm characteristics or seminal Testosterone and IGF1.