Für inhalativ applizierte Arzneimittel spielt das Ausmaß der pulmonalen Absorption eine entscheidende Rolle. Für Substanzen, die lokal in der Lunge wirken sollen, sind für eine gute Wirksamkeit hohe lokale Wirkstoffkonzentrationen, und für eine geringe Nebenwirkungsrate niedrige systemische Plasmaspiegel wichtig. Sollen allerdings Substanzen das Lungenepithel überwinden und im systemischen Kreislauf wirken, ist eine hohe systemische Verfügbarkeit für eine gute Wirkung gewünscht. Das Ziel dieser Studie war es mit in vitro und ex vivo Methoden das Absorptions- und Permeationsverhalten von pulmonal applizierten Substanzen zu studieren. Der Transportmechanismus über das Lungenepithel des langwirksamen ß2-Agonisten Salmeterol wurde mithilfe des humanen ex vivo Lungenperfusionsmodells untersucht. Die Anwendung von L-Carnitin als Hemmstoff von organischen Kationen/Carnitin Transportern (OCT/N) bewirkte eine Verringerung der pulmonalen Absorption von Salmeterol von ca. 90 %, was auf eine Beteiligung von Transportern, möglicherweise des OCTN2 oder OTCN1, für den Transport von Salmeterol über das Lungenepithel hindeutete. Es wurde somit zum ersten Mal erfolgreich gezeigt, dass Salmeterol wahrscheinlich als Substrat der Transportproteine fungiert und der Übertritt über das Lungenepithel von organischen Kationen/Carnitin Transportern abhängig ist. Bisher wurde eine Interaktion von Salmeterol mit den OCT/N nur in in vitro Versuchen studiert und Salmeterol wurde nur als Hemmstoff und nicht als Substrat untersucht. Die Beteiligung eines Transporters für die pulmonale Absorption von Salmeterol steht außerdem im Einklang mit Untersuchungen über weitere ß2-Agonisten wie das kurzwirksame Salbutamol und das langwirksame GW597901. Somit scheinen sowohl lipophile als auch hydrophile ß2-Agonisten Substrate für die OCT/N zu sein. Die Fähigkeit von IGF-1, nach pulmonaler Applikation in den systemischen Kreislauf zu gelangen, wurde in der vorliegenden Studie mit Hilfe des Lungenperfusionsmodells untersucht. Das IGF-1 wurde gebunden an Trehalose oder an Fibroin als Pulver verabreicht. Die Trehalose sollte eine schnelle Abgabe des IGF 1 bewirken, und das Fibroin sollte zum einen ein Trägermaterial mit schützenden Eigenschaften für das IGF 1 darstellen, und zum anderen sollte eine mögliche verzögerte Freisetzung von IGF-1 aus Fibroin in einem ex vivo Modell untersucht werden, die in vorausgegangenen in vitro Versuchen über 3 h lang vorhanden war. Das Peptid wurde nach der Applikation sowohl der Trehalosepartikel als auch der Fibroinpartikel pulmonal absorbiert und folgte einer linearen Verteilungskinetik. Dieses lineare Absorptionsverhalten des IGF-1 war vergleichbar mit der Kinetik von inhalativem Insulin, die in in vivo Studien beobachtet wurde. Somit konnte gezeigt werden, dass das IGF-1 nach pulmonaler Applikation systemisch verfügbar sein könnte und eine vergleichbare pulmonale Pharmakokinetik wie das strukturell ähnliche Insulin besitzt. Außerdem unterschied sich das Absorptionsverhalten von IGF-1, gebunden an Trehalose, nicht signifikant von dem von IGF-1/Fibroin, was im Gegensatz zu in vitro Untersuchungen stand, in denen das IGF-1 verzögert aus Fibroin freigesetzt wurde. Somit wirkte sich die kontrollierte Abgabe in vitro nicht auf die Verteilungskinetik ex vivo aus. Daraus ergibt sich, dass sowohl Trehalose als auch Fibroin als Trägermaterial für IGF-1 zur pulmonalen Applikation geeignet wären, und dass IGF-1, gebunden an Fibroin eine Formulierung wäre, die zum einen das IGF 1 schützen kann und die zum anderen eine gleiche pulmonale Kinetik wie IGF 1, gebunden an schnell auflösende Trägersubstanzen, besitzt. Außerdem wurde dadurch die Wichtigkeit betont, die Pharmakokinetik von pulmonal verabreichten Substanzen am intakten Organ mit erhaltener Komplexität und Funktionalität zu untersuchen, und dass das Lungenperfusionsmodell hierfür eine geeignete Methode darstellt. Darüber hinaus wurde belegt, dass mithilfe des Lungenperfusionsmodells erfolgreich pharmakokinetische Daten für nieder- und höhermolekulare Substanzen gesammelt werden können, die als Aerosol oder als Pulver appliziert werden. Auch in den in der vorliegenden Arbeit durchgeführten in vitro Permeationsversuchen, die mit der Bronchialepithelzelllinie Calu-3 durchgeführt wurden, zeigte IGF-1 vergleichbare lineare Permeationseigenschaften wie das Insulin, mit einem apparenten Permeationskoeffizienten von 1,49 * 10-8 cm/sec für IGF-1 und 2,11 * 10-8 cm/sec für Insulin. Das IGF 1 schien durch die Calu-3 Zellen sowohl parazellulär als auch transzytotisch zu permeieren, wie es für Makromoleküle generell vermutet wird. Durch die Verwendung von Hemmstoffen der Transzytose bzw. bestimmter endozytotischer Mechanismen in den Permeationsstudien konnte gezeigt werden, dass, wie bereits genannt, der Transport durch die Zellen eine wichtige Rolle für den Übertritt von IGF-1 über Calu-3 Zellmonolayer spielte. Die Studien ergaben außerdem, dass die zelluläre Aufnahme des IGF-1 unabhängig von Clathrin und abhängig von Dynamin war. Der Einsatz einer humanen bronchioalveolären Lavage in den Permeationsversuchen bewirkte zum einen eine Erhöhung des Transportes von IGF 1 durch die Calu-3 Zellen, und zum anderen war die zelluläre Aufnahme in diesem Fall unabhängig von Dynamin und unterschied sich somit von den vorherigen Untersuchungen, in denen keine Lavage eingesetzt wurde. Das bedeutet, dass Faktoren in einer bronchioalveolaren Lavage enthalten waren, die sowohl das Ausmaß der Permeation als auch den Mechanismus der zellulären Aufnahme von IGF-1 in Calu-3 Zellen beeinflussten. Zusammenfassend konnten in der vorliegenden Arbeit erfolgreich weitere Hinweise für die Beteiligung von Transportern an der pulmonalen Absorption von ß2-Agonisten mithilfe des ex vivo Lungenperfusionsmodells gefunden werden, was somit eine wertvolle Ergänzung zu bisher vorhanden in vitro Studien darstellt. Daneben wurde zum ersten Mal gezeigt, dass das IGF-1 nach Applikation in die Lunge pulmonal absorbiert werden könnte. Das belegt den Nutzen der Lunge als Eintrittsort in den systemischen Kreislauf, was vor allem für peptidische Arzneistoffe von Bedeutung ist. / The extent of the pulmonary absorption plays an important role for drugs applied via inhalation. For substances meant to exhibit local effects within the lung, high local concentrations are crucial for maximum efficacy, and for a low rate of systemic adverse effects low plasma levels are advantageous. But if substances are meant to pass the lung epithelia and act in the systemic circulation a high systemic availability is requested for good efficacy. The aim of this study was to investigate the absorption and permeation behavior of pulmonarily applied substances using in vitro and ex vivo methods. The transport mechanism of the long acting ß2-agonist salmeterol through lung epithelia was studied with the help of an ex vivo lung perfusion model. The organic cation/carnitine transporter inhibitor l-carnitine caused a decrease of the pulmonary absorption of salmeterol of about 90 %, indicating an involvement of transporters, possibly OCTN2 or OCTN1, for the uptake of salmeterol through the lung epithelia. For the first time it was successfully shown that salmeterol acts as a substrate for transport proteins and that its transport through the lung epithelia is dependent on the organic cation/carnitine transporters (OCT/N). So far the interaction of salmeterol with the OCT/N had been studied only in vitro and salmeterol had been solely described as an inhibitor and not as a substrate. Furthermore the results on the pulmonary absorption of salmeterol are in accordance with studies about other ß2-agonists like the short acting salbutamol and the long acting GW597901. Apparently, lipophilic and hydrophilic ß2-agonists are substrates for the OCT/N. The pulmonary absorption of IGF-1 was investigated in this study using the lung perfusion model. IGF-1 was applied bound to trehalose or fibroin. The trehalose was used for a fast release of IGF-1. The fibroin as a carrier was meant to provide a protection of IGF-1, and a possible sustained release that was shown in previous in vitro assays over about 3 h, was to be studied in an ex vivo model. The peptide was absorbed pulmonarily after application of the treahlose and fibroin microparticles and exhibited linear distribution kinetics. This linear absorption behavior of IGF-1 was comparable to the kinetics of inhaled insulin observed in in vivo studies. Therefore it was shown that IGF-1 might be systemically available after pulmonary application and that IGF 1 displays comparable pulmonary pharmacokinetics to the structurally similar insulin. Additionally, the absorption behavoir of IGF-1 bound to trehalose was not significantly different from IGF 1/fibroin, which was in contrast to in vitro studies showing a sustained release of IGF-1 bound to fibroin. Thus, the in vitro controlled release was not mirrored in the distribution kinetics ex vivo. This suggests that both trehalose and fibroin are suitable carriers for pulmonary application of IGF-1 and that IGF-1 bound to fibroin provides a formulation that is able to protect IGF-1 and possesses comparable pulmonary kinetics to IGF-1 bound to fast dissolving carriers. Additionally these data demonstrated the importance to study the pharmacokinetics of pulmonarily applied substances by using the intact organ with conserved complexity and functionality, and that the human isolated perfused lung is a suitable model. Furthermore it was proven, that pharmakokinetic data of low and high molecular compounds applied as aerosol or powder, can be successfully obtained using the lung perfusion model. The in vitro permeation experiments of the present study employing Calu-3 bronchial epithelial cells also showed a linear absorption behavior of IGF-1 comparable to that of insulin, with an apparent permeability coefficient of 1,49 * 10-8 cm/sec for IGF-1 and 2,11 * 10-8 cm/sec for insulin. IGF-1 apparently passed the Calu-3 cells via a paracellular and transcytotical mechanisms, which are thought to be the major routes of macromolecules. The use of inhibitors of transcytosis and certain endocytotic pathways showed that the transport through the cells was important for the passage of IGF-1 through Calu-3 cell monolayers, as mentioned before. Furthermore the studies revealed that the cellular uptake of IGF-1 was independent of clathrin and dependent on dynamin. Human broncheoalveolar lavage caused an increase of the IGF-1 transport through the Calu-3 cells and in contrast to former investigations without a lavage the cellular uptake was independent of dynamin in this case. That implies that the broncheoalveolar lavage contained factors influencing both the extent and the mechanism of the cellular IGF-1 uptake into Calu-3 cells. In conclusion, this work employing an ex vivo lung perfusion model provides additional evidence for the involvement of transporters in the pulmonary absorption of ß2-agonists. These data demonstrate a valuable extension of knowledge compared to previous in vitro studies. Furthermore, for the first time it has been shown that IGF 1 might be pulmonarily absorbed after application to the lung. This shows the suitability of the lung as point of entrance into the systemic circulation, which is especially interesting for peptide drugs.

Addenda inserted in back. Includes bibliographical references (leaves 139-160) Assesses the importance of amino acids 221 to 236 of bIGFBP-2 for IGF binding activity, by creating amino acid substitutions.

La malignité des astrocytomes est établie sur base de critères morphologiques définis au sein de la classification de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS). Ce système de gradation, qui s’échelonne de I à IV, constitue actuellement l’outil pronostique le plus fiable. Par facilité, les cliniciens regroupent les astrocytomes de grade I (astrocytomes pilocytiques) et les astrocytomes diffus de grade II sous le terme d’« Astrocytomes de bas-grade » par opposition aux astrocytomes de haut-grade, constitués des astrocytomes anaplasiques (grade III) et des glioblastomes (GBM ; grade IV). Cette terminologie conduit à des prises en charge cliniques inadéquates car elle englobe des tumeurs très différentes en terme d’agressivité : les astrocytomes de grade I, majoritairement non infiltrants, non évolutifs et indolents et les astrocytomes diffus de grade II, toujours infiltrants et évolutifs, progressant systématiquement en astrocytomes de haut-grade et entraînant le plus souvent le décès prématuré du patient. Bien que ces tumeurs soient définies par la classification de l’OMS comme des entités clinicopathologiques distinctes, peu de données sont disponibles dans la littérature pour expliquer leurs particularités biologiques et la pratique quotidienne montre que les différencier peut être difficile. Le but des études entreprises au cours de ce travail de thèse est d’apporter une contribution à la compréhension des mécanismes de tumorigenèse qui différencient l’astrocytome de grade I des astrocytomes diffus (grade II-IV), de manière à identifier des voies biologiques qui permettraient, au moins en partie, d’expliquer ces différences de comportement. Au cours de la première partie de ce travail, nous avons caractérisé les profils d’expression génomique des astrocytomes de grade I et de grade II, en comparant les données d’expression de gènes (évaluées par des technologies de micropuces d’ADN) de travaux publiés entre 2000 et 2005. L’expression des gènes identifiés a été validée par des analyses de RT-PCR quantitative sur une série indépendante d’astrocytomes de grade I, II et IV. Les fonctions biologiques des protéines codées par chacun de ces gènes ont fait l’objet de recherches bibliographiques détaillées afin de proposer un modèle permettant d’approcher les différences de comportement de ces tumeurs. Cette analyse nous a permis d’identifier TIMP4 (tissue inhibitor of metalloproteinases 4) et IGFBP2 (insulin-like growth factor binding protein 2) comme gènes candidats pour améliorer la caractérisation biologique et clinique des astrocytomes de grade I par rapport aux astrocytomes diffus. TIMP4 et IGFBP2 codent respectivement pour un inhibiteur endogène des métalloprotéinases matricielles (MMPs) et une protéine de liaison capable d’inhiber l’action des « insulin-like growth factors » (IGFs, dont IGFI et IGFII), des facteurs impliqués dans la croissance et la migration des astrocytes normaux et tumoraux. Sur base de la surexpression de TIMP4 et d’IGFBP2 dans les astrocytomes de grade I, en comparaison aux astrocytomes diffus de grade II, nous avons posé l’hypothèse suivante : « L’absence d’agressivité des astrocytomes de grade I, en comparaison aux astrocytomes diffus (grade II-IV) pourrait en partie être liée à l’inhibition par TIMP-4 de la protéolyse des complexes IGFBP2-IGFII au sein de ces tumeurs ». Cette protéolyse, qui diminue l’affinité d’IGFBP2 pour IGFII, pourrait contribuer à libérer IGFII dans la matrice extracellulaire (MEC), favoriser la liaison d’IGFII à son récepteur IGF-IR et stimuler la croissance et la migration des cellules astrocytaires tumorales. Pour tester cette hypothèse, nous avons réalisé différentes analyses biochimiques afin i) de caractériser les actions protéolytiques de MMP-2, MMP-9 et MT1-MMP sur le complexe IGFBP2-IGFII, ii) d’identifier la libération d’IGFII lors du clivage de ce complexe, et iii) d’étudier l’action inhibitrice de TIMP-4. A l’aide d’un modèle cellulaire in vitro (lignée astrocytaire tumorale LN229), nous avons ensuite observé l’influence de la protéolyse du complexe IGFBP2-IGFII sur la croissance et la motilité cellulaire. Cette étude a montré : (1) la protéolyse du complexe IGFBP2-IGFII par MMP-9, (2) l’inhibition partielle de cette protéolyse par TIMP-4, (3) la libération d’IGFII résultant de cette protéolyse et (4) les effets stimulants de la libération d’IGFII sur la croissance et la motilité des cellules LN229. Cette étude souligne le rôle important de la protéolyse des complexes IGFBP2-IGFII dans l’agressivité des astrocytomes diffus. Elle confirme les effets stimulants propres d’IGFII, d’IGFBP2 et de MMP-9 sur la motilité et/ou la croissance des cellules astrocytaires tumorales. Enfin, elle identifie un rôle inhibiteur potentiel de TIMP-4 sur la protéolyse du complexe IGFBP2-IGFII, qui pourrait contribuer à expliquer le caractère plus indolent des astrocytomes de grade I en comparaison aux astrocytomes diffus. Au cours de la troisième partie de ce travail, nous avons caractérisé l’expression de TIMP-4 et de son récepteur potentiel, la tétraspanine CD63, sur une série de 471 gliomes, dont 354 astrocytomes de grade I à IV par la méthode d’immunohistochimie quantitative appliquée aux « tissue-microarrays ». Pour chaque patient, les variables cliniques suivantes ont été collectées : âge, localisation tumorale et multifocalité, comportement infiltrant de la tumeur, étendue de la résection chirurgicale, grade histologique, type de traitement adjuvant, et suivi, évalué en termes de récidive tumorale et de durée de survie spécifiquement liée à la tumeur. Cette troisième étude confirme la surexpression de TIMP-4 dans les astrocytomes de grade I, en comparaison aux astrocytomes diffus de grade II, et montre que CD63 suit un profil d’expression similaire. Par conséquent, nous proposons l’utilisation de la co-expression TIMP-4/CD63 comme un nouveau marqueur diagnostique de l’astrocytome pilocytique de grade I dans la prise en charge anatomo-pathologique des « Astrocytomes de bas-grade ». Cette étude souligne également l’intérêt d’utiliser TIMP-4 et CD63 pour différencier le phénotype astrocytaire du phénotype oligodendroglial des gliomes diffus. Enfin, ce travail identifie CD63 et le profil de co-expression TIMP-4/CD63 comme nouveaux marqueurs pronostiques indépendants associés à une évolution défavorable des astrocytomes diffus et des oligoastrocytomes. Ce travail nous a donc permis, à partir de données de micropuces d’ADN, d’identifier TIMP4 et IGFBP2 comme gènes d’intérêt dans l’étude des astrocytomes. A partir de ces deux gènes, nous avons posé une hypothèse visant à expliquer le caractère non infiltrant des astrocytomes de grade I. Les tests in vitro menés dans le cadre de cette hypothèse confirment l’intérêt des protéines TIMP-4, IGFBP2 et IGFII dans la tumorigenèse des astrocytomes. Enfin, la caractérisation clinique de l’expression de TIMP-4 et de CD63, son récepteur potentiel, valide l’intérêt clinique que ces protéines représentent pour la prise en charge des patients porteurs d’un gliome. Il reste toutefois la nécessité d’approfondir nos connaissances sur les voies de signalisation utilisées par TIMP-4 et/ou CD63. Ces recherches permettraient de proposer de nouvelles stratégies thérapeutiques visant à améliorer le traitement de ces tumeurs et ainsi pallier au pronostic sombre des patients porteurs de gliomes diffus.

These studies were conducted to examine the influence of several variables on the growth hormone binding protein (GHBP) in serum of pigs. Continuous long term porcine somatotropin (pST) injections (daily for 6-7 wk) increased GHBP activity (p < .05). However, periodic short term pST injections (daily, every second d or every fourth d for 2 wk) did not cause significant change in GHBP levels (p > .40). No difference was observed between fed animals and animals fasted for 5 days (p > .3). Between 0 and 6 mo of age boar and gilt serum GHBP activity were not significantly different from each other, but increased significantly with age in both sexes(p < .0001). There was no significant correlation between serum GHBP and body weight in this study (p > .30). In pregnant sows, GHBP concentrations were highest at the beginning (day 72) of the third trimester (p< .05). These values were compared with information in the literature on serum growth hormone (GH) concentrations and GH receptor activity under similar conditions. Growth hormone receptor activity reported by other researchers and GHBP activity appear to vary concurrently except during fasting which may indicate alternate regulation of either the GHBP or the GH receptor. / Graduation date: 1992

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 2002. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains xii, 118 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references.

Thesis (M. Med. Sc.)--University of Hong Kong, 2002. / Includes bibliographical references (leaves 43-49).

published_or_final_version / Physiology / Master / Master of Philosophy

Oocyte maturation and ovulation are two major events that occur in fish prior to spawning. While earlier studies have shown that 17α, 20β-dihydroxy-4-pregnen-3-one (17,20β-P) and the insulin-like growth factor (IGF) system are regulators of oocyte maturation in the zebrafish (Danio rerio), it is not known whether these hormones play a role in regulating prostaglandin synthesis which is thought to mediate ovulation. I determined if 17,20β-P and human IGF-1 affect the expression of genes involved in prostaglandin biosynthesis including phospholipase A2 (cpla2) and cyclooxygenase-1/2 (ptgs1/ptgs2), or prostaglandin F2α (PGF2α) levels. 17,20β-P and IGF-1 stimulated oocyte maturation in mid-vitellogenic (MV) and full grown (FG) follicles. In FG follicles, 17,20β-P increased cpla2 expression, whereas IGF-1 increased cpla2 and ptgs2 expression. Both 17,20β-P and IGF-1 increased PGF2α production. The phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) and mitogen-activated protein kinase (MAPK) signalling pathways were shown to mediate IGF-1- and 17,20β-P-induced oocyte maturation and cpla2 and ptgs2 expression. Collectively, these results demonstrate that 17,20β-P and IGFs are important regulators of oocyte maturation and prostaglandin synthesis in zebrafish.

Grb10 is a member of the Grb7 family of adaptor proteins that also includes Grb7 and Grb14. These three members contain multiple protein binding domains and lack enzymatic activity. Extensive two-hybrid studies have demonstrated binding of Grb10 to numerous activated tyrosine kinase receptors including the insulin receptor (IR) and insulin-like growth factor-I receptor (IGF-IR), as well as many non-receptor molecules such as MEK1, Raf-1, and Nedd4. Grb10 has been implicated in IGF-I anti-apoptotic signaling regulation through interactions with Raf-1 and the mitochondrial membrane. / In this report the pattern of transient Grb10 translocation following IGF-I cellular stimulation was studied. This report also demonstrates the implication of a short variable amino-terminal region of Grb10 in mitochondrial membrane association. Finally, assays were developed with the goal of identifying new Grb10 binding partners.

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