Multiple myeloma is an incurable fatal neoplasm of plasma cells affecting mainly elderly people. There are many research laboratories in the world where multiple myeloma is studied. Permanent cell lines are indispensable tools for both basic and applied research. However, the establishment of new cell lines is difficult with poor success. We established 96 primary cultures of bone marrow samples from myeloma patients. Only one culture succeeded in permanet myeloma cell line. The novel plasmacytic cell line ÚHKT-893 was established from bone marrow sample of 57 years old female relapsed with multiple myeloma of IgGκ isotype. The cell line is however dependent on the continuous presence of interleukin-6 in culture media. ÚHKT-893 cells grow continuously already more than 1 year. The growth of cells was regularly monitored according to growth curves and by measurement of cell viability. Surface antigenic profile was repeatedly determined by flow cytometry. The simultaneous expression of both CD138 and CD38 surface molecules confirmed the plasma cell origin of cells. The establishment of the ÚHKT-893 myeloma cell line will extend the panel of existing myeloma cell lines as a new ex vivo model for the study of the etiology and pathogenesis of multiple myeloma. It will also provide the source of new...

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Multiple myeloma (MM) is an incurable malignancy characterized by the proliferation of neoplastic plasma cells in the bone marrow (BM) and by multiple osteolytic lesions throughout the skeleton. We previously reported that CD166 is a functional molecule on normal hematopoietic stem cells (HSC) that plays a critical role in HSC homing and engraftment, suggesting that CD166 is involved in HSC trafficking and lodgment. CD166, a member of the immunoglobulin superfamily capable of mediating homophilic interactions, has been shown to enhance metastasis and invasion in several tumors. However, whether CD166 is involved in MM and plays a role in MM progression has not been addressed. We demonstrated that a fraction of all human MM cell lines tested and MM patients’ BM CD138+ cells express CD166. Additionally, CD166+ cells preferentially home to the BM of NSG mice. Knocking-down (KD) CD166 expression on MM cells with shRNA reduced their homing to the BM. Furthermore, in a long-term xenograft model, NSG mice inoculated with CD166KD cells showed delayed disease progression and prolonged survival compared to mice receiving mock transduced cells. To examine the potential role of CD166 in osteolytic lesions, we first used a novel Ex Vivo Organ Culture Assay (EVOCA) which creates an in vitro 3D system for the interaction of MM cells with the bone microenvironment. EVOCA data from MM cells lines as well as from primary MM patients’ CD138+ BM cells demonstrated that bone osteolytic resorption was significantly reduced when CD166 was absent on MM cells or calvarial cells. We then confirmed our ex vivo findings with intra-tibial inoculation of MM cells in vivo. Mice inoculated with CD166KD cells had significantly less osteolytic lesions. Further analysis demonstrated that CD166 expression on MM cells alters bone remodeling by inhibiting RUNX2 gene expression in osteoblast precursors and increasing RANKL to OPG ratio in osteoclast precursors. We also identified that CD166 is indispensable for osteoclastogenesis via the activation of TRAF6-dependent signaling pathways. These results suggest that CD166 directs MM cell homing to the BM and promotes MM disease progression and osteolytic disease. CD166 may serve as a therapeutic target in the treatment of MM.

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[ES] El mieloma múltiple es una neoplasia hematológica caracterizada por una expansión descontrolada de células plasmáticas monoclonales (mPCs) en medula ósea que producen, en la mayoría de los casos, un componente monoclonal secretado en el suero y/o en orina. En la actualidad, se sigue considerando una enfermedad incurable con la constante aparición de recaídas en los pacientes. Una de las causas que condicionan esta situación, radica en la generación de resistencia frente a fármacos por parte de las mPCs. Este mecanismo de resistencia a fármacos (DR) se ha visto que no solo depende de factores intracelulares, sino que la propia interacción de las mPCs con el microambiente medular juega un papel fundamental para su supervivencia, crecimiento y desarrollo de DR. Entre los componentes del microambiente tumoral, destaca la adhesión de las mPCs a componentes de la matriz extracelular (ECM) que se ha visto relacionada con la generación de DR. Por este motivo el desarrollo de esta tesis doctoral consistió en la elaboración y validación de una plataforma de cultivo 3D basado en la síntesis de un microgel. Este sistema estará constituido por microesferas funcionalizadas con componentes de la ECM como son la fibronectina (FN), colágeno tipo I (COL), heparina (Hep), heparan sulfato (HS) y ácido hialurónico (HA), generando un entorno 3D biomimético con la capacidad de poder analizar la respuesta celular desencadenada por la interacción de las mPCs con los componentes de la ECM, así como la DR generada por la adhesión de las mPCs a estas biomoléculas. El primer estudio consistió en la realización y puesta a punto de varios protocolos para la síntesis de distintos microgeles; un primer sistema se produjo mediante la polimerización por vía radical en bloque de co-polímeros de poliacrilato de etilo (EA) y polimetacrilato de etilo (EMA) o bien por EA, EMA y ácido acrílico (AAc). Mediante una emulsión del tipo aceite en agua se consiguió producir con estos copolímeros, microesferas de un tamaño próximo al de las mPCs. Un segundo sistema se basó en microesferas de alginato. Estas microesferas se obtuvieron en un dispositivo de microfluidica produciéndose la gelificación externa de las micro-gotas con la incorporación de iones de calcio consiguiendo microesferas de un tamaño medio de 177 µm. Debido a la gran variedad de microesferas sintetizadas con diferentes grupos químicos en sus superficies, se consiguió establecer protocolos de funcionalización similares a los establecidos en la literatura, teniendo en cuenta la estabilidad de la biomolécula a lo largo del tiempo del cultivo celular. Este enfoque, permitió la funcionalización con una gran variedad de biomoléculas disponiendo así de microgeles funcionalizados con FN, COL, Hep, HS y HA. Una vez desarrollados los microgeles, en un segundo estudio se procedió a evaluar la respuesta celular en un entorno 3D basado en microgel, valorando la interacción con los componentes de la ECM. Entre los resultados observados se pudo determinar como el tamaño de las microesferas afecta al crecimiento celular incluso en ausencia de cualquier funcionalización. Con los microgeles constituidos por microesferas de un tamaño próximo al de las mPCs se obtuvo un mayor crecimiento celular que con los microgeles formados por partículas de mayor tamaño, y en ambos el crecimiento fue superior al del cultivo en suspensión. Se plantea la hipótesis de que la presencia de las microesferas favorece en gran medida que se produzca un mayor contacto célula-célula que se ve incrementado cuanto mayor es la superficie específica del microgel. Entre los componentes de la ECM estudiados, mientras que el COL no genera ninguna respuesta celular diferente al control (microgel no funcionalizado), el HA favorece la proliferación celular. La adhesión de las mPCs a la FN condiciona el bloqueo de las células en la fase G0-G1 del ciclo celular. Esta adhesión está mediada / [CA] El mieloma múltiple és una neoplàsia hematològica caracteritzada per una expansió descontrolada de cèl·lules plasmàtiques monoclonals (mPCs) en medul·la òssia que produeixen, en la majoria dels casos, un component monoclonal secretat en el sèrum i/o en orina. En l'actualitat, es continua considerant una malaltia incurable, amb la constant aparició de recaigudes en els pacients. Una de les causes que condicionen aquesta situació, radica en la generació de resistència enfront de fàrmacs per part de les mPCs. Aquest mecanisme de resistència a fàrmacs (DR) s'ha vist que no sols depèn de factors intracel·lulars, sinó que la mateixa interacció de les mPCs amb el microambient medul·lar juga un paper fonamental per a la seua supervivència, creixement i desenvolupament de DR. Entre els components del microambient tumoral, destaca l'adhesió de les mPCs a components de la matriu extracel·lular (ECM) que s'ha vist relacionada amb la generació de DR. Per aquest motiu, el desenvolupament d'aquesta tesi doctoral va consistir en l'elaboració i validació d'una plataforma de cultiu 3D basada en la síntesi d'un microgel. Aquest sistema estarà constituït per microesferes funcionalitzades amb components de l'ECM com són la fibronectina (FN), col·lagen tipus I (COL), heparina (Hep), heparan sulfat (HS) i àcid hialurònic (HA), generant un entorn 3D biomimètic amb la capacitat de poder analitzar la resposta cel·lular desencadenada per la interacció de les mPCs amb els components de la ECM, així com la DR generada per l'adhesió de les mPCs a aquestes biomolècules. El primer estudi va consistir en la realització i posada a punt de diversos protocols per a la síntesi de diferents microgels; un primer sistema es va produir mitjançant la polimerització per via radical en bloc de copolímers de poliacrilat d'etil (EA) i polimetacrilat d'etil (EMA), o bé per EA, EMA i àcid acrílic (AAc). Mitjançant una emulsió del tipus oli en aigua es va aconseguir produir amb aquests copolímers, microesferes d'una grandària pròxima al de les mPCs. Un segon sistema es va basar en microesferes d'alginat. Aquestes microesferes es van obtenir en un dispositiu de microfluidica produint-se la gelificació externa de les microgotes amb la incorporació d'ions de calci aconseguint microesferes d'una grandària mitjana de 177 ¿m. A causa de la gran varietat de microesferes sintetitzades amb diferents grups químics en les seues superfícies, es va aconseguir establir protocols de funcionalització similars als establerts en la literatura, tenint en compte l'estabilitat de la biomolècula al llarg del temps del cultiu cel·lular. Aquest enfocament va permetre la funcionalització amb una gran varietat de biomolècules disposant així de microgels funcionalitzats amb FN, COL, Hep, HS y HA. Una vegada desenvolupats els microgels, en un segon estudi es va procedir a avaluar la resposta cel·lular en un entorn 3D basat en microgel, valorant la interacció amb els components de l'ECM. Entre els resultats observats es va poder determinar com la grandària de les microesferes afecta el creixement cel·lular fins i tot en absència de qualsevol funcionalització. Amb els microgels constituïts per microesferes d'una grandària pròxima al de les mPCs es va obtenir un major creixement cel·lular que amb els microgels formats per partícules de major grandària, i en tots dos el creixement va ser superior al del cultiu en suspensió. Es planteja la hipòtesi que la presència de les microesferes afavoreix en gran manera que es produïsca un major contacte cèl·lula-cèl·lula que es veu incrementat com més gran és la superfície específica del microgel. Entre els components de l'ECM estudiats, mentre que el COL no genera cap resposta cel·lular diferent del control (microgel no funcionalitzat), l'HA afavoreix la proliferació cel·lular. L'adhesió de les mPCs a la FN condiciona el bloqueig de les cèl·lules en la fase G0-G1 del cic / [EN] Multiple myeloma is a haematological neoplasm characterized by an uncontrolled expansion of monoclonal plasma cells (mPCs) in bone marrow that produce, in most cases, a monoclonal component secreted in serum and/or urine. At present, it is still considered an incurable disease with the constant appearance of relapses in patients. One of the causes that condition this situation lies in the generation of drug resistance by the mPCs. This mechanism of drug resistance (DR) has been seen to depend not only on intracellular factors, but the very interaction of mPCs with the medullary microenvironment plays a fundamental role in their survival, growth and development of DR. Among the components of the tumor microenvironment, the adhesion of the mPCs to components of the extracellular matrix (ECM) stands out, which has been related to the generation of DR. For this reason, the development of this doctoral thesis consisted in the elaboration and validation of a 3D culture platform based on the synthesis of a microgel. This system will be made up of micropsheres functionalized with the components of the ECM such as fibronectin (FN), collagen type I (COL), heparin (Hep), heparan sulphate (HS) and hyaluronic acid (HA), generating a 3D biomimetic environment with the ability to analyse the cellular response triggered by the interaction of mPCs with the ECM components, as well as the DR generated by the adhesion of the mPCs to these biomolecules. The first study consisted in the realization and development of several protocols for the synthesis of different microgels. A first system was produced by the radical block polymerization of polyethylene acrylate (EA) and polymethacrylate (EMA) co-polymers or by EA, EMA and acrylic acid (AAc). By means of an oil-in-water emulsion technique, it was possible to produce, with these copolymers, microspheres of a size close to that of the mPCs. A second system was based on alginate microspheres. These microspheres were obtained in a microfluidic device producing the external gelification of the micro-drops with the incorporation of calcium ions, obtaining microspheres with an average size of 177 µm. Due to the great variety of microspheres synthesized with different chemical groups on their surfaces, it was possible to establish functionalization protocols similar to those established in the literature, taking into account the stability of the biomolecule along with the time of cell culture. This approach allowed for functionalization with a great variety of biomolecules, having in this way functionalized microgels with FN, COL, Hep, HS and HA. Once the microgels were developed, a second study was carried out to evaluate the cell response in a 3D microgel-based environment, assessing the interaction with the components of the ECM. Among the results observed, it was possible to determine how the size of the microspheres affects cell growth even in the absence of any functionalization. With the microgels constituted by microspheres close to the size of the mPCs, a greater cellular growth was obtained than with the microgels formed by larger particles, and in both the growth was higher than in suspended culture. It is hypothesized that the presence of microspheres greatly favours a greater cell-cell contact, which is increased the larger the specific surface area of the microgel. Among the components of the ECM studied, while the COL does not generate any cellular response different from the control (non-functionalized microgel), HA favours cell proliferation. The adhesion of mPCs to FN conditions the blocking of cells in the G0-G1 phase of the cell cycle. This adhesion is mediated by the integrin ¿4ß1. / La presente tesis doctoral no se podría haber realizado sin la financiación del proyecto PROMETEO/2016/063, trabajo que también estuvo parcialmente financiado con fondos FEDER (CIBERONC (CB16/12/00284)). La iniciativa CIBER-BBN está financiada por el proyecto VI National R&D&I Plan 2008-2011, Iniciativa Ingenio 2010, Consolider Program. Las acciones CIBER están financiadas por el Instituto de Salud Carlos III con ayuda del Fondo Europeo de Desarrollo Regional. / Marin Paya, JC. (2021). 3D Culture o Multiple Myeloma Cell Line Using Microgel Environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/167427

Introduction: Autologous stem cell transplantation (ASCT) is the standard treatment for younger patients with newly-diagnosed multiple myeloma (MM). However, due to restrictive exclusion criteria, more than half of eligible patients are usually excluded from transplant-studies. Methods: This retrospective monocentric analysis included 540 patients with MM who received an ASCT between 1996 and 2019. Results: Up to 2005, induction therapy consisted mainly of conventional chemotherapies, e.g. vincristine/doxorubicin/dexamethasone (VAD). In the following years, the triple-combinations based on bortezomib coupled with doxorubicin/dexamethasone (PAD), melphalan/prednisolone (VMP), cyclophposphamide/dexamethasone (VCD) or bendamustine/prednisolone (BPV) became the most popular treatment options. A progressive improvement in PFS was observed in patients treated with the two current induction therapies BPV (47 months) or VCD (54 months) compared to VAD (35 months, p<0.03), PAD (39 months, p<0.01 and VMP (36 months, p<0.01). However, there was no significant difference in median OS (VAD 78, PAD 74, VMP 72, BPV 80 months and VCD not reached). In our analysis, we also included 139 patients who do fulfill at least one of the exclusion criteria for most phase 3 transplant-studies (POEMS/amyloidosis/plasma cell leukemia, eGFR<40 mL/min, severe cardiac dysfunction or poor general condition). Outcome for these patients was not significantly inferior compared to patients who met the inclusion criteria for most of the transplant studies with PFS of 36 vs 41 months (p=0.78) and OS of 78 vs 79 months (p=0.34). Conclusions: Our real world data in unselected pts also stress the substantial value of ASCT during the first line treatment of younger MM pts.:Inhaltsverzeichnis Bibliographische Beschreibung …………………………………………………...………………..……….……………………......2 Inhaltsverzeichnis …………………………………………………………………………………………………………………...…........3 Abkürzungsverzeichnis ………………………………………………………………………………………………………………..…….4 1. Einführung …………………………………………………………………..…………………..…...................................7 1.1. Das multiple Myelom ………………………………………………….……………………………..………………………..7 1.2. Klinik und Diagnostik ……………………………………………………………………………..…………………………….7 1.3. Stadieneinteilung ……………………………………………………………….…………..…………………………………...8 1.4. Remissionsbeurteilung ……………………………………………………………………………………………………….10 1.5. Therapie …………………………………………………………………………………………….……………………………...12 1.5.1. Konventionelle Chemotherapie ……………………………………………………………………………………….…12 1.5.2. Neue Substanzen in der Myelomtherapie …………………………………………………………………………..13 1.5.2.1. Immunmodulatorische Substanzen ……………………………………………………………………………….……13 1.5.2.2. Proteasomen-Hemmer ……………………………………………………………………………………….………………13 1.5.2.3. HDAC Hemmer ……………………………………………………………………………………………………………………13 1.5.2.4. Monoklonale Antikörper …………………………………………………………………………………………………….14 1.5.2.5. BCMA basierte Therapien …………………………………………………………………………………………………..14 1.5.3. Autologe Stammzelltransplantation in der Ära der konventionellen Chemotherapie ………...15 1.5.4. Allogene Stammzelltransplantation …………………………………………………………………………………….15 1.5.5. Autologe Stammzelltransplantation in der Ära der neuen Substanzen ………………………………..16 1.6. Aufgabenstellung der Arbeit ……………………………………………………………………………………………….17 2. Publikation …………………………………………………………………………………………………………………….……18 3. Zusammenfassung der Arbeit ……………………………………………………………………………………………..33 Literatur …………………………………………………………………………………………………………………………………..…..…37 Tabellenverzeichnis …………………………………………………………………………………………………………………………49 Darstellung des eigenen Beitrags …………………………………………………………………………………………………….50 Selbständigkeitserrklärung ………………………………………………………………………………………………………………52 Lebenslauf ……………………………………………………………………………………………………………………………………….53 Verzeichnis der wissenschaftlichen Veröffentlichungen……………………………………………………………………54 Danksagung ……………………………………………………………………………………………………………………………………..56

The statin family of hydroxymethylglutaryl coenzyme A reductase (HMGCR) inhibitors, used to control hypercholesterolemia, triggers apoptosis of various human tumour cells. HMGCR is the rate-limiting enzyme of the mevalonate (MVA) pathway, a fundamental metabolic pathway required for the generation of a number of biochemical end-products including cholesterol and isoprenoids, but the contribution of the MVA pathway to human cancer remains largely unexplored. Furthermore, as only a subset of tumour cells has been shown to be highly responsive to statins, the identification of appropriate subsets of patients will be required to successfully advance these agents as anticancer therapeutics. To this end, there were two major aims to this work: 1) Elucidate a molecular rationale for the observed therapeutic index of statin-induced apoptosis in normal and tumour cells; 2) Identify molecular determinants of sensitivity for statin-induced apoptosis in human tumour cells. To address the first aim we demonstrated that dysregulation of the MVA pathway, achieved by ectopic expression of either full length HMGCR (HMGCR-FL) or its novel splice variant lacking exon 13 (HMGCR-D13), increases transformation. Ectopic HMGCR promotes growth of transformed and non-transformed cells under anchorage-independent conditions or as xenografts in immunocompromised mice. We also show that high mRNA levels of HMGCR and four out of five other MVA pathway genes correlate with poor prognosis in primary breast cancer, suggesting the MVA pathway may play a role in the etiology of human cancers. To address the second aim, we show that dysregulation of the MVA pathway is a key determinant of sensitivity to statin-induced apoptosis in multiple myeloma. In a panel of 17 distinct myeloma cell lines, half were sensitive to statin-induced apoptosis and the remainder were insensitive. Interestingly, in sensitive cells, the classic feedback response to statin exposure is lost, a feature we demonstrated could distinguish a subset of statin-sensitive primary myeloma cells. We further illustrated that statins are highly effective and well tolerated in an orthotopic model of myeloma using cells harboring a dysregulated MVA pathway. Taken together, this work provides a molecular rationale and determinants of sensitivity for statin-induced apoptosis of human tumour cells.

Ce travail de thèse a eu pour thème principal le protéoglycane syndecan-1 au cours du myélome multiple, une hémopathie maligne caractérisée par la présence d'un clone de plasmocytes tumoraux au sein de la moelle osseuse. Syndecan-1 est un élément majeur de la physiopathologie du myélome multiple, ce protéoglycane étant au coeur d'un réseau complexe d'interactions moléculaires conditionnant le devenir des cellules plasmocytaires tumorales.Les chaînes de glycosaminoglycanes présentes sur le core protéique de syndecan-1sont responsables d'une grande partie de son activité. Nous avons ainsi caractérisé, par une approche transcriptomique, 100 gènes codant les protéines impliquées dans la synthèse et la modification de ces chaînes. Nous avons de cette manière identifié des cibles moléculairesen vue de moduler, voire d'inhiber leur activité.Dans le but d'identifier les métalloprotéinases des familles ADAM et ADAMTS susceptibles d'interagir avec syndecan-1, nous avons réalisé l'étude du profil d'expression des gènes codant ces reprolysines et leurs inhibiteurs dans les cellules de la différentiation lymphocytaire B, les cellules plasmocytaires normales et tumorales ainsi que dans l'environnement médullaire.Dans une dernière partie, nous avons évalué l'efficacité d'une approche d'inhibitiondes chaînes héparanes sulfates via l'utilisation de l'héparine. Nous observons que certaines lignées myélomateuses sont inhibées par l'héparine et ses dérivés et que ces mêmes lignées sont stimulées par l'antidote de l'héparine, le sulfate de protamine. Les mécanismes mis enjeu sont en relation avec la modulation de la biodisponibilité des facteurs permettant la croissance des cellules. / Multiple myeloma is a hematological malignancy characterized by the expansion of aclone of malignant plasma cells in the bone marrow compartment. Syndecan-1 is a majorproteoglycan involved in a complex network of molecular interactions in multiple myelomaphysiopathology. As heparan sulfate and chondroitin sulfate chains are the bioactive components ofsyndecan-1, we first analysed the signature of genes encoding 100 proteins involved in thesynthesis of these chains, from precursor uptake to post-translational modifications, usingAffymetrix microarrays.In order to identify the metalloproteinases belonging to ADAM and ADAMTS familiespotentially implicated in the interactions with syndecan-1, we performed a gene expressionprofile focused on the genes encoding these reprolysines and their inhibitors.In a last part, we evaluated the efficacy of an inhibitory approach based on theutilization of heparin in human myeloma cell lines in vitro, inhibitory effects being in relationwith a modulation of the biodisponibility of heparin-binding factors.This work led us to identify targets of interest in relation with syndecan-1 biology inmultiple myeloma. They could be used to design new therapeutic strategies.

Das multiple Myelom ist eine seltene maligne Knochenerkrankung bei insbesondere älteren Menschen. Dabei vermehren sich im Knochenmark in hohem Maße unkontrolliert entartete Plasmazellen. Diese Myelomzellen unterdrücken einerseits die Bildung von normalen Plasmazellen, andererseits wird das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und –abbau empfindlich gestört, woraus eine erhöhte Knochenresorption resultiert. Neben den bisher angewandten Chemo- und Strahlentherapien gewinnen innovative Medikamente, wie Proteasominhibitoren und Bisphosphonate, in der Therapie an Bedeutung. Diese Medikamente reduzieren das Myelomzellwachstum und wirken hemmend auf den Knochenabbau. Durch das Auffüllen von durch Resorptionsprozesse geschädigten Knochendefekten mit wirkstoffbeladenen Calciumphosphatzementen (CPC) wird nicht nur der Knochen stabilisiert, sondern im Vergleich zur herkömmlichen oralen oder intravenösen Medikamentenverabreichung eine gezielte Freisetzung des Wirkstoffes direkt am Wirkort in wesentlich reduzierten Dosen ermöglicht. Durch die Kombination des Knochenzementes mit anderen effizienten Drug-Delivery-Systemen (DDS), wie z. B. Polymeren, kann eine optimale Anpassung der Wirkstofffreisetzung ermöglicht werden. Insbesondere haben sich bereits dendritische Polymere aufgrund ihrer globularen Struktur und Vielzahl an peripheren Funktionalitäten als besonders geeignete Wirkstoffträgersysteme herausgestellt. Bei der Anwendung im physiologischen System spielt insbesondere die Biokompatibilität dieser polymeren DDS eine entscheidende Rolle. Durch Modifizierung der peripheren Gruppen mit biokompatiblen Einheiten, wie Oligosacchariden oder Aminosäuren, kann die physiologische Verträglichkeit signifikant erhöht werden. Für die Behandlung des multiplen Myeloms am Knochen sollte in dieser Arbeit ein geeignetes dendritisches DDS auf Basis von hochverzweigtem Polyethylenimin (PEI) synthetisiert und charakterisiert werden. Das DDS sollte dabei verschiedene Anforderungen, wie eine hohe Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität, erfüllen. Weiterhin sollten die mechanischen Eigenschaften des CPC nicht negativ beeinflusst werden und der Wirkstoff sollte effektiv vom DDS aufgenommen und kontrolliert aus dem generierten Komposit (Wirkstoff/DDS/CPC) freigesetzt werden. In der sogenannten N-Carboxyanhydrid (NCA)-Polymerisation wurden am PEI(5) (5 ≙ Mw 5 kDa) benzylgeschützte Polyglutaminsäure bzw. Polyasparaginsäureketten aufgepfropft. Durch hydrolytische Abspaltung der Schutzgruppen an den PBLG-Ketten von PEI(5)-PBLG-346 und PEI(5)-PBLA-346 erfolgte die Generierung der wasserlöslichen DDS PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346. Die Charakterisierung der synthetisierten Kern-Schale-Architekturen PEI(5)-PBLG-346, PEI(5)-PBLA-346, PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346 zeigte, dass nur wenige lange Polyaminosäureketten an wenigen primären und sekundären Aminogruppen des PEI(5) aufgebaut wurden. Aufgrund der noch freien primären und sekundären Aminogruppen am PEI(5) und den peripheren Aminogruppen an den Polyaminosäureketten wurden durch die Anbindung von Maltose- bzw. Laktoseeinheiten Kern-Schale-Architekturen mit einer binären Doppelschalenstrukturen erzeugt. Im Gegensatz zu reiner Polyglutaminsäure zeigten die mit Glutaminsäure modifizierten Polymerstrukturen PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PGlu-346-Mal interessante strukturelle Eigenschaften in wässriger Umgebung. Aufgrund des pH-abhängigen Ladungszustandes resultiert bei reinen Polyglutaminsäureketten normalerweise der typische Helix-Coil-Übergang. Dabei findet eine Konformationsumwandlung der α-helikalen Struktur zur ungeordneten Sekundärstruktur statt. Im Falle der PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5) PGlu-346-Mal-Copolymere wurde jedoch keine α-helikale Konformation bei niedrigem pH-Wert nachgewiesen. Die PGlu-Ketten der wasserlöslichen Kern-Schale-Architekturen bildeten sowohl im sauren, als auch im basischen pH-Wertbereich eine ungeordnete Sekundärstruktur aus. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass die Kern-Schale-Architekturen in Abhängigkeit vom pH-Wert als isolierte Makromoleküle bzw. Aggregate mit unterschiedlich lang gestreckten Peptidketten vorliegen. Die Ursache dafür sind nicht-kovalente, intra- und intermolekular wirkende Kräfte. Zur Beurteilung der Kern-Schale-Architekturen als geeignete DDS wurde die Komplexierung des Proteasominhibitors Bortezomib (BZM) in die reinen Copolymere PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und PEI(25)-Mal B (25 ≙ Mw 25 kDa, ohne Polyglutaminsäureketten) sowie deren Polyelektrolytkomplexe untersucht. Dabei wurden Copolymer/BZM- bzw. PEK/BZM-Komplexe in verschiedenen Verhältnissen hergestellt und die Komplexierungskapazität durch zeitabhängige Ultrafiltration UV/Vis-spektroskopisch ermittelt. Im Vergleich zu den glutaminsäuremodifizierten Copolymeren wurde durch PEI(25)-Mal B etwa doppelt so viel Wirkstoff in verschiedenen wässrigen Systemen aufgenommen. Der Grund dafür ist der größere PEI-Kern und die dementsprechend höhere Anzahl an peripheren Aminogruppen mit gebundenen Maltoseeinheiten. Die PEK zeigten im Vergleich zu den Copolymeren keine Verbesserung der Komplexierungskapazität. Um eine effektive Wirkstofffreisetzung für eine dosierte Langzeittherapie aus dem Kompositmaterial zu erhalten, ist eine stark verzögerte Freisetzung des Copolymers bzw. PEK selbst aus dem CPC notwendig. In Abhängigkeit von der Konzentration wurde für PEI(25)-Mal B eine geringere Freisetzung aus dem Copolymer/CPC- und PEK/CPC ermittelt. Aufgrund der nanoskaligen Dimension der polymeren Strukturen wird die Diffusion durch das offene CPC-Porensystem erschwert. Für die PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und die zugehörigen PEK wurde hingegen keine messbare Freisetzung aus dem CPC nachgewiesen. Die Glutaminsäureeinheiten können Calciumionen komplexieren und beeinflussen dadurch die Keimbildung und das Wachstum der CaP-Phase. Die Copolymerstrukturen werden somit in den CPC integriert und können nur durch Abbau des schwerlöslichen Zementes freigesetzt werden. Bei den Untersuchungen der BZM-Freisetzung aus den BZM/Copolymer/CPC- und BZM/PEK/CPC-Kompositen kristallisierte sich BZM/PEI(5)-PGlu-346-Mal/CPC als effektivstes DDS heraus. Im Vergleich zum reinen BZM in CPC wurde nach 24 h nur etwa die Hälfte des Wirkstoffes aus dem Komposit freigesetzt. Weiterhin steigerte sich die Freisetzungsrate über den gesamten Zeitraum von 14 Tagen auf nur etwa 60 %. Aus dem BZM/CPC-Komposit wurden nach 14 Tagen mehr als 75 % BZM freigesetzt. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Gelinsky vom Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung (TU Dresden) wurde keine signifikante Änderung der Druckfestigkeit des CPC durch die Integration der glutaminsäuremodifizierten Copolymere festgestellt. Weiterhin wurde in in vitro-Untersuchungen mit osteogen stimulierten humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) kein entscheidender Einfluss der in dieser Arbeit hergestellten PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5)-PGlu-346-Mal-Copolymere auf die Proliferation der Zellen beobachtet. Zudem war bei beiden Copolymeren eine osteogene Differenzierung der hMSC zu knochenbildenden Osteoblasten nachweisbar, wobei PEI(5)-PGlu-346-Mal die Entwicklung der Stammzellen zu knochenbildenden Zellen sogar zu fördern scheint. Durch die Kombination von hochverzweigtem PEI mit Polyglutaminsäure und Maltose wurde in dieser Arbeit ein innovatives DDS für die kontrollierte und effektiv verzögerte Freisetzung von BZM aus CPC erzeugt, welches die einleitend erwähnten Anforderungen erfüllt. Das Copolymersystem weist eine hohe Biokompatibilität auf, ohne die mechanischen Eigenschaften des CPC zu verändern. Diese Arbeit hat daher einen entscheidenden Beitrag im Bereich der Wirkstofffreisetzung aus festen Materialien geliefert und bildet die Grundlage für zukünftige polymere DDS in CPC.