Protein therapeutics are available as cytokines, clotting factors, enzymes, hormones, growth factors, antibodies et al. They have been shown to be effective in treating a variety of important human diseases. Since human insulin was approved as the first recombinant protein therapeutic, this field has experienced rapid growth. One of the biggest challenges for protein therapeutics in clinical application is their short half-life. Except for monoclonal antibodies, which have serum half-life for weeks, most of the protein therapeutics have half-lives ranging from minutes to hours. Kidney filtration, proteasome degradation and liver metabolism are the main factors that attribute to their short half-lives. The short half-life of protein therapeutics requires a higher dose or frequent application to maintain therapeutic concentration over a certain period. However, higher dose is easy to cause large plasma concentration fluctuation, which is easy to cause side effects. Most of protein therapeutics are not orally bioavailable. Frequent application will increase the burden of patients, affect their life quality, and reduce patient compliance. Thus, it is important to generate long-lasting therapeutics with improved pharmacokinetic properties. The current half-life extension approaches for protein therapeutics include PEGylation, albumin fusion or binding and fusion to an immunoglobulin Fc region. Their primary aim is to increase the size of biotherapeutics or to implement recycling by the neonatal Fc receptor (FcRn). However, the half-life extension by PEGylation, albumin fusion or Fc fusion is at the cost of binding affinity reduction. And the increase of size has limited their application in the field of anticancer agents where tumor penetration is required. Noncovalent albumin binding using albumin binding ligands such as fatty acids could maintain the small size and binding affinity. However, it would increase hydrophobicity, therefore is not suitable for protein therapeutics with low solubility. Here, we present a new approach for half-life extension for biotherapeutics. Human interleukin 2 (IL-2), a low solubility cytokine, was used as a model protein. By conjugating IL-2 with a hydrophilic small molecule that binds reversibly to the serum protein transthyretin, we enhanced its circulation half-life in rodents while maintained its in vitro bioactivity. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of a successful approach that harnesses a small molecule in extending the circulation half-life of a protein while at the same time maintains the small size and hydrophilicity.

Established biopharmaceuticals such as antibodies and derivatives thereof are relatively large. In cancer therapy, this creates a steep drug concentration gradient within tumors, leaving cells far from blood vessels effectively untreated. Continuous pseudo treatments should foster the development of drug resistance and might lead to eventual disease relapse. Drug concentration gradients can be operationalized as tissue penetration efficiencies, which are functions of molecular size. However, small particles are also subject to potent renal clearance, collapsing the therapeutic window beyond clinical applications. In this master’s thesis, spatial bispecificity was engineered into a single albumin binding domain (ABD). Resulting ABD derived affinity proteins (ADAPTs) are saved from urinary excretion by the grace of HSA, but in the more static microenvironment of tumors, following HSA dissociation, they are capable of tissue penetration efficiencies bestowed only upon smaller particles. To this end, phage display was used to raise ADAPTs against the cancer associated proteins human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) and carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 6 (CEACAM6), but also the inflammation marker C-reactive protein (CRP). Via Sanger sequencing, 9 variants were picked for protein production and characterization, among which two spatially bispecific binders were found. ADAPTs were also evaluated for aggregation tendencies, structural conformity to library design, and thermal stability. One ADAPT, binding HER2, passed all tests of initial characterizations. Deep sequencing was used to analyze selection output, from which many more binders should be screened in future experiments. / Etablerade bioläkemedel liksom antikroppar och deras derivat är relativt stora protein. Som cancerterapeutiska skapar de således branta koncentrationsgradienter utgående från tumörpenetrerande blodkärl. Detta riskerar att lämna vissa cancerceller utanför det terapeutiska fönstret. Det svaga selektionstryck som således verkar i tumörperiferin fostrar cancerceller till att utveckla resistens mot detsamma. Koncentrationsgradienten beror på proteinets vävnadspenetrarande förmåga, vilken är en funktion av proteinets storlek. Mindre proteiner borde därmed lättare ackumuleras i hela tumören och förebygga resistensutveckling. Problemet med små proteiner är deras mycket korta halveringstid i serum, en följd av relativt obehindrad filtrering ut i urinen via njurarna. I det här examensarbetet utvecklades rumsbispecifika bindare av cancerassocierade protein med hjälp av fagdisplayselektioner från ett proteinbibliotek baserat på en enda albuminbindande domän (ABD). Resulterande ABD deriverade affinitetsprotein (ADAPT) undkommer ovan nämnda filtrering tack vare sin naturligt starka interaktion med humant serumalbumin (HSA). I den mer långsamt flödande tumörmikromiljön tillåts ADAPTerna efter albumindissociation sedan utöva en bland bioläkemedel överlägsen vävnadspenetration. Tre parallella selektionsspår utfördes mot de cancerassocierade målproteinerna human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) och carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 6 (CEACAM6) samt den utsöndrade inflammationsmarkören C-reaktivt protein (CRP). Via Sangersekvensering kunde flera kandidater identifieras. Bland 6 karakteriserade ADAPTer uppvisade samtliga hög HSA-affinitet, tre konstaterades interagera specifikt med sitt målprotein, och två verkade binda även rumsbispecifikt. ADAPTer utvärderades även för sin benägenhet att bilda aggregat, strukturell överensstämmelse med experimentell design, och värmestabilitet. Endast en bindare, mot HER2, klarade sig genom alla prövningar som proteinkarakteriseringen innebar utan underkänt. Även en högparallel sekvensering utav selektionsresultat utfördes, men utanför de tidsramar som tillät ytterligare karakterisering.

Prostate cancer is one of the most common types of cancer worldwide and claims hundreds of thousands of lives annually. Currently the most common treatment for prostate cancer is external beam radiotherapy, however, this treatment comes with serious side effects since it lacks selectivity for the cancer cells. Therefore, less harmful treatments are needed and sought for, such as targeted treatments that are intended to only affect cancer cells and thereby reduce the side effects. Targeted treatments require a target that differentiates the cancer cells from healthy cells. A promising target candidate that has gained attention in recent years is gastrin releasing peptide receptor (GRPR), a protein commonly overexpressed in prostate cancer cells. Furthermore, a targeting molecule intended to bind to the target is also required. For this purpose, the bombesin analogue RM26, a high affinity GRPR binder, shows promise. Previous studies have led to the development of RM26-conjugates for the purpose of targeted prostate cancer radiotherapy. In these conjugates RM26 has been linked to a DOTA-chelator for radiolabeling, and an albumin binding domain (ABD) to prolong the conjugate’s half-life in vivo by binding to human serum albumin (HSA). The idea is that the RM26-conjugate will bind to both HSA in the blood and to GRPR on the prostate cancer cells and eliminate the cancer cells with the radiation from the radionuclide attached to the DOTA-chelator. Although these earlier studied conjugates have been very promising some improvements of certain aspects need to be achieved, mainly to improve the biodistribution with retained GRPR binding affinity. Therefor the purpose of this project was to produce three new versions of previous RM26- conjugates and evaluate if they are suitable for further prostate cancer therapy studies. The three RM26-conjugates were developed with primarily recombinant expression in E. coli cells and solid phase peptide synthesis (SPPS). The characterization phase in this project was carried out with mainly five different methods: matrix-assisted laser desorption ionization time- of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS), electrospray ionization- mass spectrometry (ESI-MS), circular dichroism (CD), surface plasmon resonance (SPR) and flow cytometry. The results showed that all three new RM26-conjugates were possible to produce and yielded final products corresponding to the expected molecular weights. Furthermore, the results indicate that all three RM26-conjuagtes are stable and maintain their structural properties under in vivo- temperatures and that they have high binding affinity for HSA. Further studies need to be conducted before drawing any certain conclusions regarding GRPR binding affinity. / Prostatacancer är en av de mest vanligt förekommande cancertyperna världen över och skördar hundratusentals liv årligen. I nuläget är extern strålbehandling det vanligaste terapialternativet mot prostatacancer, men denna behandling kommer med allvarliga biverkningar på grund av att den saknar selektivitet för cancerceller. Därför finns ett stort behov av mindre skadliga behandlingsformer, såsom riktade behandlingar som endast är avsedda att påverka cancerceller och därigenom minska biverkningarna. Riktade behandlingar kräver ett mål som skiljer cancercellerna från friska celler. En lovande målkandidat som har uppmärksammats de senaste åren är gastrinfrisättande peptidreceptor (GRPR), ett protein som vanligtvis överuttrycks i prostatacancerceller. I tillägg så krävs också en målsökande molekyl avsedd att binda till målet. För detta ändamål visar bombesinanalogen RM26, en GRPR-bindare med hög affinitet, sig vara lovande. Tidigare studier har utvecklat RM26-konjugat för målinriktad strålbehandling av prostatacancer. Dessa konjugat består av en RM26-peptid bunden till en DOTA-kelator för radioinmärkning och en albuminbindande domän (ABD) för att förlänga konjugatens halveringstid in vivo genom att binda till humant serumalbumin (HSA). Syftet med RM26- konjugaten är att de ska binda till både HSA i blodet och GRPR på prostatacancercellerna, och därmed eliminera cancercellerna med strålning från den radioinmärkta DOTA-kelatorn. Även om de tidigare RM26-konjugaten har varit mycket lovande krävs det att vissa förbättringar av några aspekter uppnås, främst affiniteten för GRPR. Syftet med detta projekt var därför att producera tre nya versioner av tidigare RM26-konjugat och utvärdera ifall de uppvisar tillfredsställande egenskaper. De tre RM26-konjugaten utvecklades primärt rekombinant i E. coli-celler och fastfas- peptidsyntes (SPPS). Karaktäriseringsfasen i detta projekt genomfördes med huvudsakligen fem olika metoder: MALDI-TOF-MS, elektrosprejjonisering-masspektrometri (ESI-MS), cirkulär dikroism (CD), ytplasmonresonans (SPR) och flödescytometri. Resultaten visade att alla tre nya RM26-konjugat var möjliga att producera och gav slutprodukter motsvarande de förväntade molekylvikterna. Vidare indikerar resultaten att alla tre RM26-konjugat är stabila och bibehåller sina strukturella egenskaper under in vivo-temperaturer och att de har hög affinitet för HSA. Ytterligare studier bör utföras innan säkrare slutsatser kan dras angående GRPR-bindningsaffinitet.

Marknaden för proteinbaserade läkemedel, de så kallade biologiska läkemedlen, är idag en industri som omsätter miljarder. Ett vanligt sätt att utveckla dessa läkemedel på är med hjälp av monoklonala antikroppar då de kan binda till sitt mål med hög specificitet. Däremot begränsas denna teknik av en lång och dyr produktion som dessutom kräver däggdjursbaserade uttrycksystem. En alternativ teknik till de monoklonala antikropparna är att använda små proteiner som enkelt kan produceras i bakterier till en låg kostnad. Dock begränsas denna metod av de små proteinernas korta cirkuleringstid i blodet. I ett tidigare projekt, har ett litet protein vid namnet ABDderived affinity ProTein (ADAPT) på cirka 7 kDa, utvecklats för att kunna binda till både humant serumalbumin (HSA) för att förlänga cirkulationstiden i blodet och Interleukin 17c (IL17c) som är ett pro-inflammatorisk cytokin. Studien visade dock att ADAPT proteinet inte samtidigt kunde binda till de båda molekylerna tillräckligt effektivt. Syftet med denna uppsats är därför att undersöka om det nämnda proteinet kan optimeras genom så kallad multimering och/eller manipulering av bindningssätet för HSA i syfte att åstadkomma en effektiv och mer långvarig cirkulationstid i blodet samtidigt som det binder sig till sitt mål, IL17c. Tio nya versioner av ADAPT proteinet har utvecklats genom att klona och transformera proteiner till en högt producerande Escherichia coli (E. coli) stam. Proteinerna har sedan producerats och renats fram. Det kunde observeras att proteinerna hade den önskade renheten för att kunna karaktäriseras. Vidare var det möjligt att se att proteinerna hade sin önskade molekylvikt och erhöll sin förväntade struktur som en alfahelix. Proteinernas smältpunkter hade förbättrats eller var liknande jämfört med det ursprungliga proteinet. Dessutom kunde alla proteiner återgå till sin ursprungliga struktur efter upphettning. Utvärderingen av proteinernas bindningskapacitet, med original proteinet som referens, visade på en ökad affinitet till sitt mål, IL17c, för två dimerer och trimeren samt en jämförbar affinitet för två av monomererna med ett manipulerat bindingssäte till HSA. Interaktion till HSA var jämförbar med den ursprungliga ADAPT molekylen för alla nya varianter förutom monomererna med ett manipulerat bindingssäte och dimeren med två manipulerat bindingssäten till HSA. Evaluering av de nya proteinernas kapacitet att binda samtidigt till HSA och IL17c visade att det var gynnsamt med en dimereiserad molekyl då det skapade en distans mellan molekylerna och dess bindningssäten. Vidare kunde det också visas att ordningen som molekylerna interagerade med varandra påverkade proteinernas simultana bindning. / The market for protein-based drugs, or the so-called biopharmaceuticals, is a multibillion-dollar industry today. In the development of protein-based drugs it is common to use monoclonal antibodies (mAbs) due to their ability to bind to its target with high specificity. However, therapeutical development of mAbs is limited by its long and expensive production in mammalian expression system. An alternative to mAbs are the so-called alternative scaffolds which are small proteins that can be produced in bacteria at lower costs. Although a drawback with the latter proteins is their short serum half-life. A small scaffold protein, ABD-Derived Affinity ProTein (ADAPT) of approximate 7 kDa was earlier engineered to obtain bispecific affinity, to Human Serum Albumin (HSA), to extend its half-life, as well as to the pro-inflammatory cytokine, Interleukin 17c (IL17c). Unfortunately, it was shown that the simultaneous binding was not efficient enough for its desired purpose. The aim with this project was therefore to investigate if the previous mentioned binder could be optimized by multimerization and/or manipulation of the HSA binding site for an efficient half-life extension. By generating ten new designs of the ADAPT variants, it was observed that the new variants had stable alpha helical structures and an improved or similar melting temperature as the original variant. The evaluation of the target binding displayed an improved affinity to the target, IL17c, for two of the dimeric versions as well as for the trimer and a comparable affinity for two of the monomers with a manipulated HAS binding site. The interaction to HSA was comparable to the original ADAPT for all binders except from the monomers with impaired HSA binding and the dimer with two impaired HSA binding sites. The evaluation of the simultaneous binding showed that it was favored by dimerization when a distance between the two molecule and their binding surfaces was added. Moreover, it could also be seen that the order of binding events had an impact on the simultaneous binding.