Aachen, Techn. Hochsch., Thesis (doctoral), 2001.

Thesis (doctoral)--Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 2003.

Chronic inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis, type 2 diabetes and cardiovascular diseases, are associated with the homeostatic imbalance of one of several physiological systems combined with the lack of spontaneous remission, which causes the disease to persevere throughout patients’ lives. The inflammatory response relies mainly on tissue-resident, pro-inflammatory M1 type macrophages and, consequently, a chance for therapeutic intervention lies in driving macrophage polarization towards the anti-inflammatory M2 phenotype. Therefore, anti-inflammatory cytokines that promote M2 polarization, including interleukin-4 (IL4), have promising therapeutic potential. Unfortunately, their systemic use is hampered by a short serum half-life and dose-limiting toxicity. On the way towards cytokine therapies with superior safety and efficacy, this thesis is focused on designing bioresponsive delivery systems for the anti-inflammatory cytokine IL4. Chapter 1 describes how anti-inflammatory cytokines are tightly regulated in chronic, systemic inflammation as in rheumatoid arthritis but also in acute, local inflammation as in myocardial infarction. Both diseases show a characteristic progression during which anti-inflammatory cytokine delivery is of variable benefit. A conventional, passive drug delivery system is unlikely to release the cytokines such that the delivery matches the dynamic course of the (patho-)physiological progress. This chapter presents a blueprint for active drug delivery systems equipped with a 24/7 inflammation detector that continuously senses for matrix metalloproteinases (MMP) as surrogate markers of the disease progress and responds by releasing cytokines into the affected tissues at the right time and place. Because they are silent during phases of low disease activity, bioresponsive depots could be used to treat patients in asymptomatic states, as a preventive measure. The drug delivery system only gets activated during flares of inflammation, which are then immediately suppressed by the released cytokine drug and could prevent the steady damage of subclinical chronic inflammation, and therefore reduce hospitalization rates. In a first proof of concept study on controlled cytokine delivery (chapter 2), we developed IL4-decorated particles aiming at sustained and localized cytokine activity. Genetic code expansion was deployed to generate muteins with the IL4’s lysine 42 replaced by two different unnatural amino acids bearing a side chain suitable for click chemistry modification. The new IL4 muteins were thoroughly characterized to ensure proper folding and full bioactivity. Both muteins showed cell-stimulating ability and binding affinity to IL4 receptor alpha similar to those of wild type IL4. Copper-catalyzed (CuAAC) and strain-promoted (SPAAC) azide–alkyne cycloadditions were used to site-selectively anchor IL4 to agarose particles. These particles had sustained IL4 activity, as demonstrated by the induction of TF-1 cell proliferation and anti-inflammatory M2 polarization of M-CSF-generated human macrophages. This approach of site-directed IL4 anchoring on particles demonstrates that cytokine-functionalized particles can provide sustained and spatially controlled immune-modulating stimuli. The idea of a 24/7 sensing, MMP driven cytokine delivery system, as described in the introductory chapter, was applied in chapter 3. There, we simulated the natural process of cytokine storage in the extracellular matrix (ECM) by using an injectable solution of IL4 for depot formation by enzyme-catalyzed covalent attachment to ECM components such as fibronectin. The immobilized construct is meant to be cleaved from the ECM by matrix-metalloproteinases (MMPs) which are upregulated during flares of inflammation. These two functionalities are facilitated by a peptide containing two sequences: a protease-sensitive peptide linker (PSL) for MMP cleavage and a sequence for covalent attachment by activated human transglutaminase FXIIIa (TGase) included in the injection mix for co-administration. This peptide was site-selectively conjugated to the unnatural amino acid at IL4 position 42 allowing to preserve wild type bioactivity of IL4. In vitro experiments confirmed the anticipated MMP response towards the PSL and TGase-mediated construct attachment to fibronectin of the ECM. Furthermore, the IL4-peptide conjugates were able to reduce inflammation and protect non-load bearing cartilage along with the anterior cruciate ligament from degradation in an osteoarthritis model in rabbits. This represents the first step towards a minimally invasive treatment option using bioresponsive cytokine depots with potential clinical value for inflammatory conditions. One of the challenges with this approach was the production of the cytokine conjugate, with incorporation of the unnatural amino acid into IL4 being the main bottleneck. Therefore, in chapter 4, we designed a simplified version of this depot system by genetically fusing the bifunctional peptide via a flexible peptide spacer to murine IL4. While human IL4 loses its activity upon C-terminal elongation, murine IL4 is not affected by this modification. The produced murine IL4 fusion protein could be effectively bound to in vitro grown extracellular matrix in presence of TGase. Moreover, the protease-sensitive linker was selectively recognized and cleaved by MMPs, liberating intact and active IL4, although at a slower rate than expected. Murine IL4 offers the advantage to evaluate the bioresponsive cytokine depot in many available mouse models, which was so far not possible with human IL4 due to species selectivity. For murine IL4, the approach was further extended to systemic delivery in chapter 5. To increase the half-life and specifically target disease sites, we engineered a murine IL4 variant conjugated with a folate-bearing PEG chain for targeting of activated macrophages. The bioactive IL4 conjugate had a high serum stability and the PEGylation increased the half-life to 4 h in vivo. Surprisingly, the folate moiety did not improve targeting in an antigen-induced arthritis (AIA) mouse model. IL4-PEG performed better in targeting the inflamed joint, while IL4-PEG-folate showed stronger accumulation in the liver. Fortunately, the modular nature of the IL4 conjugate facilitates convenient adaption of PEG chain length and the targeting moiety to further improve the half-life and localization of the cytokine. In summary, this thesis describes a platform technology for the controlled release of cytokines in response to inflammation. By restricting the release of the therapeutic to the site of inflammation, the benefit-risk ratio of this potent class of biologics can be positively influenced. Future research will help to deepen our understanding of how to perfectly combine cytokine, protease-sensitive linker and immobilization tag or targeting moiety to tackle different diseases. / Chronische Entzündungskrankheiten wie rheumatoide Arthritis, Typ-2-Diabetes oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden durch das Ungleichgewicht eines von mehreren physiologischen Systemen in Verbindung mit fehlender spontaner Remission verursacht, wodurch die Krankheiten lebenslang bestehen bleiben. Die zugrunde liegenden Entzündungsreaktionen beruhen hauptsächlich auf im Gewebe vorhandenen Makrophagen und deren Polarisation in Richtung des entzündlichen M1-Phänotyps, was gleichzeitig die Möglichkeit einer therapeutischen Intervention bietet. Entzündungshemmende Zytokine, einschließlich Interleukin-4 (IL4), haben ein großes therapeutisches Potenzial, da sie Makrophagen in Richtung des entzündungshemmenden M2-Phänotyps zu polarisieren vermögen. Leider ist ihre systemische Anwendung durch eine kurze Serumhalbwertszeit und dosislimitierende Toxizität eingeschränkt. Auf dem Weg zu Zytokintherapeutika mit verbesserter Sicherheit und Wirksamkeit konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung von bioresponsiven Freisetzungssystemen für das entzündungshemmende Zytokin IL4. Kapitel 1 beschreibt, wie entzündungshemmende Zytokine bei chronischen systemischen Entzündungen wie rheumatoider Arthritis im Vergleich zu akuten lokalen Entzündungen wie dem Myokardinfarkt reguliert werden. Beide Erkrankungen zeigen einen charakteristischen Verlauf, währenddessen die Freisetzung von entzündungshemmenden Zytokinen von unterschiedlich großem Nutzen ist. Gewöhnliche, passive Arzneimittelfreisetzungssysteme sind nicht in der Lage, Zytokine in idealer Menge zur optimalen Unterdrückung des dynamischen, (patho-)physiologischen Verlaufs der Krankheit freizusetzen. In diesem Kapitel werden deshalb aktive Arzneimittelfreisetzungssysteme vorgestellt, die mit einer Sensorik für die Entzündung ausgestattet sind, mit der sie kontinuierlich die Konzentration von Matrix-Metalloproteinasen (MMP) als Indikatoren für den Krankheitsverlauf erfassen können. Somit kann das aktive Arzneimittelfreisetzungssystem krankes Gewebe zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort mit Zytokinen behandeln. Solche bioresponsiven Depots können zur vorbeugenden Behandlung von asymptomatischen Patienten eingesetzt werden, da sie während Phasen geringer Krankheitsaktivität inaktiv sind. Das Freisetzungssystem wird erst durch Entzündungsschübe aktiviert, die dann sofort durch die freigesetzten Zytokine unterdrückt werden. Dadurch könnte die dauerhafte Schädigung durch subklinische, chronische Entzündung verhindert und als Konsequenz die Hospitalisierungsrate gesenkt werden. In einer ersten Machbarkeitsstudie wurden in Kapitel 2 IL4-dekorierte Partikel mit dem Ziel entwickelt, eine langanhaltende und lokalisierte Zytokinaktivität zu gewährleisten. Dazu wurden IL4-Muteine erzeugt, bei denen das Lysin 42 mittels Erweiterung des genetischen Codes durch zwei verschiedene unnatürliche Aminosäuren ersetzt wurde, die jeweils eine für Klick-Chemie geeignete Seitenkette tragen. Die IL4-Muteine wurden ausführlich charakterisiert, um eine korrekte Faltung und volle Bioaktivität sicherzustellen. Beide Muteine zeigten zellstimulierende Fähigkeit und Bindungsaffinität an IL4-Rezeptor-alpha, die mit der von Wildtyp-IL4 vergleichbar ist. Anschließend wurde kupferkatalysierte (CuAAC) und kupferfreie (SPAAC) Azid-Alkin-Cycloaddition verwendet, um IL4 ortsspezifisch auf Agarosepartikeln zu verankern. Die Partikel waren in der Lage, die IL4-Aktivität über längere Zeit aufrecht zu erhalten, was durch TF-1-Zellproliferation und M2-Polarisation von M-CSF-generierten, humanen Makrophagen gezeigt werden konnte. Dieser Ansatz der ortsspezifischen Verankerung von IL4 auf Agarosepartikeln zeigt, dass zytokinfunktionalisierte Partikel anhaltende und räumlich kontrollierte, immunmodulierende Stimuli liefern können. Die Idee eines MMP-gesteuerten Zytokinfreisetzungssystems mit 24/7-Sensorik, das im Einleitungskapitel vorgestellt wurde, wurde in Kapitel 3 umgesetzt. Der natürliche Prozess der Zytokinspeicherung in der extrazellulären Matrix (EZM) wurde mithilfe einer injizierbaren IL4-Lösung zur enzymatischen Depotbildung durch kovalente Bindung an EZM-Komponenten, z. B. Fibronektin, simuliert. Nach der Bindung soll das Konstrukt durch Matrix-Metalloproteinasen (MMPs), die während Entzündungsschüben hochreguliert werden, aus der EZM freigesetzt werden können. Eine Peptidsequenz, die ein Protease-sensitives Verbindungsstück und eine Sequenz, mit der das Zytokin bei gleichzeitiger Injektion von aktivierter menschlicher Transglutaminase FXIIIa (TGase) kovalent auf der EZM immobilisiert wird enthält, wurde ortsspezifisch über eine unnatürliche Aminosäure an Position 42 von IL4 gekoppelt. Dadurch wurde die Bioaktivität von IL4 vollständig erhalten, während das Protease-sensitive Verbindungsstück auf MMPs reagierte und das Konstrukt durch TGase an das Fibronektin der EZM gebunden werden konnte. Die IL4-Peptid-Konjugate waren in einem Osteoarthritis-Modell bei Kaninchen in der Lage, die Entzündung des Kniegelenks zu verringern und den nicht-tragenden Knorpel sowie das vordere Kreuzband vor Degradation zu schützen. Dies ist der erste Schritt in Richtung einer minimalinvasiven Behandlung durch Verwendung von bioresponsiven Zytokindepots mit potenziellem klinischem Nutzen bei Entzündungserkrankungen. Eine der Herausforderungen bei diesem Vorgehen war die Herstellung der Zytokinkonjugate, wobei der Einbau der unnatürlichen Aminosäure in IL4 den größten Engpass darstellte. Deshalb wurde in Kapitel 4 eine vereinfachte Version dieses Depotsystems entworfen, indem das bifunktionelle Peptid über eine flexible Verbindungssequenz mit murinem IL4 genetisch fusioniert wurde. Während humanes IL4 bei C-terminaler Verlängerung an Aktivität verliert, ist murines IL4 durch die Modifikation nicht beeinflusst. Die murinen IL4-Fusionsproteine konnten in Gegenwart von TGase wirksam an in vitro generierte extrazelluläre Matrix gebunden werden. Darüber hinaus wurde das Protease-sensitive Verbindungsstück selektiv von MMPs erkannt und gespalten, wobei intaktes und aktives IL4 freigesetzt wurde, wenn auch mit einer langsameren Rate als erwartet. Murines IL4 bietet die Möglichkeit das bioresponsive Zytokindepot in den vielen verfügbaren Mausmodellen zu testen, was mit humanem IL4 aufgrund der Speziesselektivität nicht möglich ist. Für murines IL4 wurde die Entwicklung in Kapitel 5 auf die systemische Applikation ausgeweitet. Um die Serumhalbwertszeit zu erhöhen und eine Wirkstofflokalisation im entzündeten Gewebe zu erreichen, wurde eine murine IL4-Variante entwickelt, die mit einer Folat-tragenden PEG-Kette konjugiert wurde, um aktivierte M1 Makrophagen zu adressieren. Das bioaktive IL4-Konjugat wies eine hohe Serumstabilität auf und die PEGylierung erhöhte die Halbwertszeit in vivo auf 4 h. Allerdings konnte durch die Konjugation der Folatgruppe an IL4 die Wirkstofflokalisation in einem Mausmodell mit Antigen-induzierter Arthritis (AIA) nicht verbessert werden. IL4-PEG akkumulierte sich stärker im entzündeten Gelenk, während IL4-PEG-Folat eine stärkere Anreicherung in der Leber zeigte. Erfreulicherweise erleichtert der modulare Aufbau des IL4-Konjugats die bequeme Anpassung der PEG-Kettenlänge und der zielorientierten Einheit, um die Halbwertszeit und Lokalisierung des Zytokins weiter zu verbessern. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit eine Plattformtechnologie zur kontrollierten Freisetzung von Zytokinen als Reaktion auf Entzündungen. Durch die Beschränkung der Freisetzung des Therapeutikums auf den Ort der Entzündung kann das Nutzen-Risiko-Verhältnis dieser potenten Klasse von Biologika positiv beeinflusst werden. Zukünftige Forschungen werden dazu beitragen zu verstehen, wie Zytokin, Protease-sensitives Verbindungsstück und Immobilisierungsanhängsel oder etwaige zielorientierte Einheiten zur Bekämpfung verschiedener Krankheiten perfekt kombiniert werden können.

Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2008

Univ., Diss.--Freiburg/Breisgau, 1997.

Zugl.: München, Techn. Universiẗat, Diss., 2008.

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.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2008