Die Diagnostik von Kardiovaskulären Erkrankungen erfolgt vorwiegend mit unspezifischen Methoden, die keine molekularen Informationen über das Gefäß liefern. Die molekulare Bildgebung könnte eine präzisere Diagnose ermöglichen. Ein geeigneter Biomarker für die molekulare Diagnostik von Erkrankungen der Aorta ist das Proteoglycan-spaltende Enzym ADAMTS4 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs), welches von Zellen im erkrankten Gewebe von Aorten überexprimiert wird. Insbesondere für die Magnetresonanztomographie (MRT) haben sich Peptide als geeignete Binder für die molekulare Bildgebung erwiesen. In dieser Arbeit wurde eine bestehende Screening-Methode, durch cyclische, hexamere Peptide einer One-Bead-One-Compound (OBOC)-Bibliothek erweitert. Die Cyclisierung erfolgte über eine Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinen. Ein Abbruchsequenzspektrum ermöglichte die Sequenzierung mittels Matrix-unterstützter Laser Desorption/Ionisation-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-ToF-MS). In einem Screening gegen ADAMTS4 konnten cyclische Peptide gefunden werden und mittels Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) charakterisiert. Die Sequenz C*-S-A-A-G-C* zeigte jeweils die selektivste und stärkste Bindung gegen ADAMTS4. In einer Bindungsstudie mit Microscale Thermophoresis (MST)-Spektroskopie zeigte das Peptid eine für die molekulare MR-Bildgebung vorteilhafte, selektive Affinität von (50 ± 20) nM gegenüber ADAMTS4. Die Peptidsequenz wurde mit einem Spacer und einem MRT-aktiven Gadolinium(III)-DOTA-Komplex gekoppelt und zeigte in vitro keine Toxizität. Die Sonde wurde in vivo in einem abdominalen Aortenaneurysma-Modell untersucht. Der Anstieg des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses (CNR, Contrast-to-Noise Ratio) ermöglichte die Unterscheidung zwischen erkrankten und nicht erkrankten Tieren. Zusätzlich konnte bereits in einem frühen Stadium das Rupturrisiko abgeschätzt und eine tödliche Aorten-Ruptur vorhergesagt werden. / Currently, the diagnosis of cardiovascular diseases is performed with unspecific methods, which do not provide any molecular information about the condition of the vessel wall. Molecular imaging could fill the gap and offer a more precise diagnosis. The proteoglycan-cleaving enzyme ADAMTS4 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs) could be used as a biomarker for molecular imaging of aneurysm and atherosclerosis, since it is highly upregulated in the unstable course of cardiovascular diseases. Especially for magnetic resonance imaging (MRI), peptide probes have been proven to be suitable for contrast increase of vessel diseases. In this work, a screening technique was optimized and upgraded for the use of cyclic, hexameric One-Bead-One-Compound (OBOC)-libraries. The cyclisation was performed via a disulfide bridge between two cysteines. A ladder sequence was used for sequencing by Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation-Time of Flight-Mass Spectrometry (MALDI-ToF-MS). In a high throughput screening against ADAMTS4 several peptides were found and classified by their interaction against ADAMTS4 with Surface Plasmon Resonance (SPR). The peptide with the sequence C*-S-R-R-G-C* showed not only the highest selectivity against ADAMTS4 in the screening, but also the strongest interaction in the SPR. In a binding assay by Microscale Thermophoresis (MST), the peptide had a favorable and selective affinity against ADAMTS4 of (50 ± 20) nM. The peptide was extended by a short peptide spacer and a magnetic resonance (MR) active gadolinium(III)-DOTA complex and showed no in vitro toxicity at all. Finally, the probe was tested in an abdominal aortic aneurysm mouse model. Here, the probe enabled the differentiation between diseased animals and the sham group. By the increase of the Contrast-to-Noise Ratio (CNR), the diseases could be visualized. Additionally, an early prediction of the disease development, course, and mortality could be performed.

Gegenwärtig ist das Interesse und der Bedarf von Proteinbindern insbesondere in der Biotechnik und Pharmaforschung sehr groß. Kombinatorische, Partikel-basierte (One-Bead-One-Compound) Peptidbibliotheken sind eine Technik, um selektiv bindende Proteine zu identifizieren. Allerdings beinhaltet das Screening dieser Peptidbibliotheken aufwendige Schritte, wie die Separation, Sequenzierung und Charakterisierung von identifizierten Bindern. In dieser Arbeit wurde ein Chip-System entwickelt, auf dem alle Schritte eines Screenings durchgeführt werden können. Dafür wurde ein Glasobjektträger mit einem magnetisch leitenden, doppelseitigen Klebeband versehen. Die Partikel der Bibliothek wurden durch ein Sieb aufgetragen. Dies führte zu einer geordneten Immobilisierung der Partikel auf dem Chip. Über 30.000 Partikel konnten so auf einem Chip immobilisiert werden. Für die Identifizierung von selektiven Protein-bindenden Peptiden wird die immobilisierte Peptidbibliothek mit einem Fluorophor-markierten Protein inkubiert, bindende Partikel mittels Fluoreszenzscan identifiziert und die Peptidsequenz direkt auf dem Chip mittels Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-(MALDI)-Flugzeit-(TOF)-Massenspektroskopie (MS) bestimmt. Die Durchführung einer Abbruchsequenz-Methode erlaubt die eindeutige Bestimmung der Peptidsequenzen mit einer nahezu 100 % Genauigkeit. Die entwickelte Technologie wurde in einem FLAG-Peptid-Modell validiert. Bei dem Screening wurden neue anti-FLAG-Antikörper-bindende Peptide identifiziert. Anschließend wurden in einem Screening von ca. 30.000 Partikeln IgG-bindende Peptide mit mittleren mikromolaren Dissoziationskonstanten identifiziert. Für die Identifizierung stärkerer Binder wurde eine magnetische Anreicherung entwickelt, die dem Chip-Screening vorgeschaltet werden kann. Hiermit wurden aus ca. 1 Million gescreenter Partikel, Peptide mit Dissoziationskonstanten im niedrigen mikromolaren Bereich identifiziert. / The screening of one-bead-one-compound (OBOC) libraries is a well-established technique for the identification of protein-binding ligands. The demand for binders with high affinity and specificity towards various targets has surged in the biomedical and pharmaceutical field in recent years. The combinatoric peptide screening traditionally involves tedious steps such as affinity selection, bead picking, sequencing and characterization. In this thesis, a high-throughput “all-on-one chip” system is presented to avoid slow and technically complex bead picking steps. Beads of a combinatorial peptide library are immobilized on a conventional glass slide equipped with an electrically conductive tape. The beads are applied by using a precision sieve, which allows the spatially ordered immobilization of more than 30,000 beads on one slide. For the target screening, the immobilized library is subsequently incubated with a fluorophore-labeled target protein. In a fluorescence scan followed by matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)-time of flight (TOF) mass spectrometry (MS), high-affinity binders are directly and unambiguously sequenced directly from the bead. The use of an optimized ladder sequencing approach improved the accuracy of the de-novo sequencing step to 100 %. This new technique was validated by employing a FLAG-based model system. In a first step, new peptide binders for the M2 anti-FLAG monoclonal antibody were identified. Finally, this system was utilized to screen for IgG-binding peptides. The screening of about 30.000 peptides on one chip led to the identification of peptide binders in the mid micromolar range. A magnetic enrichment technique was developed to increase the number of screened beads. By combining the magnetic enrichment strategy with the chip system, 1 million beads were screened and IgG-binders in the low micromolar range were identified.