Peptide CART (cocaine- and amphetamine- regulated transcript) is a neuropeptide acting in the hypothalamus to reduce food intake (anorexigenic peptide). Despite all efforts the receptor and the mechanism of action is still unknown. This peptide has two biologically active forms, CART(55-102) and CART(61-102). Peptide CART is able to bind to pheochromocytoma cells PC12. PC12 cells differentiated in neuronal phenotype with NGF (nerve growth factor) showed a higher number of binding sites (11250 ± 2520 binding sites/cell) compared to undifferentiated cells (3600 ± 570 binding sites/cell). PC12 cells differentiated by dexamethasone to chromaffin cells showed high non-specific binding. Peptide CART contains three disulfide bridges. To clarify the importance of each disulfide bridge to maintain biological activity, analogues with one (analogue 3, 4 and 5) or two (2, 6, 7 and 8) disulfide bridges and a peptide analogue of CART (61-102), which has methionin at position 67 replaced with norleucine were synthesized. We showed that biological activity was unchanged at analogue 1 and analogue 7 containing disulfide bridges in positions 74-94 and 88-101. When investigating cell signaling in PC12 cells, we tested if peptide CART activate of c-Fos, c-Jun, phosphorylated ERK1/2, CREB, JNK and p38. CART peptide...

Prolactin-releasing peptide (PrRP) is a member of the family of RF-amide peptides. These peptides have typical C-terminal sequence -Arg-Phe-NH2 and similar biological effects. PrRP was discovered as an endogenous ligand of an orphan receptor GPR10 while searching for a factor responsible for a prolactin secretion. This effect was not later confirmed and nowadays, PrRP is mainly considered as an anorexigenic peptide. This is supported by a fact that PrRP and GPR10 deficient mice suffer from hyperphagia and late-onset obesity. Besides GPR10, PrRP is bound to NPFF2 receptor whose endogenous ligand is neuropeptide FF (NPFF). In this study, the PrRP's analogues modified at the N-terminus with fatty acids of different lenghts were tested in vitro on binding and activation MAPK/ERK1/2 signalling pathway. In in vivo experiments on food intake, the central anorexigenic effects of lipidized PrRP-analogues were tested provided their crossing blood brain barrier. Binding studies showed that all analogues bound to rat pituitary RC-4B/C cells with high affinity, analogues containing fatty acid with Ki of one order of magnitude lower than native PrRP. High affinity was also confirmed for binding to cells overexpressing GPR10 receptor and cell membranes with overexpressed NPFF2 receptor. All tested analogues...

This work deals with the preparation of combinatorial libraries of peptides serving as platforms for proteolytic phenotyping. The primary objective was to prepare a solid phase fluorogenic peptide library and screen proteases by fluorescence. Further, the possibility of preparing solid phase DNA-encoded libraries was studied. Due to the non-reactivity of the specific proteases with the solid phase peptides, the solid phase was completely abandoned and DNA-encoded peptide library was prepared in the solution. Using this model of DNA-encoded dipeptide with terminal biotin, the new principle of testing proteolytic activities of proteases was verified. A combinatorial library of DNA-encoded hexapeptides was also prepared. Despite the low yield of the library, the possibility of DNA encoding, the amplifiability of the prepared molecules and the possibility of biotin-based separation were verified. The integrity of the hexapeptide sequence and the protease testing is the subject of further study.

Lanthanide-based upconversion nanoparticles are able to absorb low-energy near-infrared (NIR) photons and emit visible or ultraviolet light. This unique optical property enables luminescent detection without autofluorescence from biological samples that is crucial for bioimaging and diagnostics. Moreover, NIR irradiation allows to deliver light deep into the tissue, which can be used for drug or gene delivery and NIR-induced photodynamic therapy (PDT) of tumors. Despite huge effort during the last 10 years devoted to the upconversion nanoparticle synthesis and their surface engineering, preparation of the particles suitable for biomedical applications still remains a big challenge. The current work is focused on synthesis of the upconversion nanoparticles with controllable morphology, size, distribution, crystallinity, and high upconversion efficiency, as well as on desirable surface modification by biocompatible inorganic or organic polymers. Neat and functionalized homogeneous silica shell was introduced on the NaYF4:Yb3+ /Er3+ and NaGdF4:Yb3+ /Er3+ nanoparticles to enhance their biocompatibility and colloidal stability in water. To render the nanoparticles with targeting moieties, their surface was decorated with cell-adhesive RGD or cell-penetrating TAT peptides. The RGD- and TAT- conjugated...

Commercial media and surfaces for cell cultivation do not promote conditions for cell cultivation and proliferation with specific interactions cell-material surface. The aim of this thesis is developing surfaces for cell cultivation which mimic conditions in living tissues. The approach introduced in this thesis is based on applying biomimetic peptide ligands on inert supporting materials with non-fouling properties. Considering that a choice of a ligand sequence and distance between peptides can dramatically influence the outcome, a few model peptides with varying parameters were synthesized and investigated. The cell adhesive peptides were synthesized by solid phase peptide synthesis and scrambled peptides were synthesized and tested as well. Spatial deposition of peptides is another highly important point of study. The 'click'- reaction was used to successfully immobilize the peptides on produced surfaces. The distance between the peptide molecules on the surfaces was controlled by their concentration in a reaction mixture. The reference samples were immobilized with radiolabeled peptides for quantitative estimation of the peptides present. Then, the materials with different types of peptides and range of concentrations were examined via cultivation of cell cultures. The experiments were focused on...

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A detailed description of the characteristics of antimicrobial peptides (AMPs) is highly demanded, since the resistance against traditional antibiotics is an emerging problem in medicine. They are part of the innate immune system in every organism, and they are very efficient in the protection against bacteria, viruses, fungi and even cancer cells. Their advantage is that their target is the cell membrane, in contrast to antibiotics which disturb the metabolism of the respective cell type. This allows AMPs to be more active and faster. The lack of an efficient therapy for some cancer types and the evolvement of resistance against existing antitumor agents make AMPs promising in cancer therapy besides being an alternative to traditional antibiotics. The aim of this work was the physical-chemical characterization of two fragments of LL-37, a human antimicrobial peptide from the cathelicidin family. The fragments LL-32 and LL-20 exhibited contrary behavior in biological experiments concerning their activity against bacterial cells, human cells and human cancer cells. LL-32 had even a higher activity than LL-37, while LL-20 had almost no effect. The interaction of the two fragments with model membranes was systematically studied in this work to understand their mode of action. Planar lipid films were mainly applied as model systems in combination with IR-spectroscopy and X-ray scattering methods. Circular Dichroism spectroscopy in bulk systems completed the results. In the first approach, the structure of the peptides was determined in aqueous solution and compared to the structure of the peptides at the air/water interface. In bulk, both peptides are in an unstructured conformation. Adsorbed and confined to at the air-water interface, the peptides differ drastically in their surface activity as well as in the secondary structure. While LL-32 transforms into an α-helix lying flat at the water surface, LL-20 stays partly unstructured. This is in good agreement with the high antimicrobial activity of LL-32. In the second approach, experiments with lipid monolayers as biomimetic models for the cell membrane were performed. It could be shown that the peptides fluidize condensed monolayers of negatively charged DPPG which can be related to the thinning of a bacterial cell membrane. An interaction of the peptides with zwitterionic PCs, as models for mammalian cells, was not clearly observed, even though LL-32 is haemolytic. In the third approach, the lipid monolayers were more adapted to the composition of human erythrocyte membranes by incorporating sphingomyelin (SM) into the PC monolayers. Physical-chemical properties of the lipid films were determined and the influence of the peptides on them was studied. It could be shown that the interaction of the more active LL-32 is strongly increased for heterogeneous lipid films containing both gel and fluid phases, while the interaction of LL-20 with the monolayers was unaffected. The results indicate an interaction of LL-32 with the membrane in a detergent-like way. Additionally, the modelling of the peptide interaction with cancer cells was performed by incorporating some negatively charged lipids into the PC/SM monolayers, but the increased charge had no effect on the interaction of LL-32. It was concluded, that the high anti-cancer activity of the peptide originates from the changed fluidity of cell membrane rather than from the increased surface charge. Furthermore, similarities to the physical-chemical properties of melittin, an AMP from the bee venom, were demonstrated. / Aufgrund der steigenden Resistenzen von Zellstämmen gegen traditionelle Therapeutika sind alternative medizinische Behandlungsmöglichkeiten für bakterielle Infektionen und Krebs stark gefragt. Antimikrobielle Peptide (AMPs) sind Bestandteil der unspezifischen Immunabwehr und kommen in jedem Organismus vor. AMPs lagern sich von außen an die Zellmembran an und zerstören ihre Integrität. Das macht sie effizient und vor allem schnell in der Wirkung gegen Bakterien, Viren, Pilzen und sogar Krebszellen. Das Ziel dieser Arbeit lag in der physikalisch-chemischen Charakterisierung zweier Peptidfragmente die unterschiedliche biologische Aktivität aufweisen. Die Peptide LL-32 und LL-20 waren Teile des humanen LL-37 aus der Kathelizidin-Familie. LL-32 wies eine stärke Aktivität als das Mutterpeptid auf, während LL-20 kaum aktiv gegen die verschiedenen Zelltypen war. In dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung der Peptide mit Zellmembranen systematisch anhand von zweidimensionalen Modellmembranen in dieser Arbeit untersucht. Dafür wurden Filmwaagenmessungen mit IR-spektroskopischen und Röntgenstreumethoden gekoppelt. Circulardichroismus-Spektroskopie im Volumen komplementierte die Ergebnisse. In der ersten Näherung wurde die Struktur der Peptide in Lösung mit der Struktur an der Wasser/Luft-Grenzfläche verglichen. In wässriger Lösung sind beide Peptidfragmente unstrukturiert, nehmen jedoch eine α-helikale Sekundärstruktur an, wenn sie an die Wasser/Luft-Grenzfläche adsorbiert sind. Das biologisch unwirksamere LL-20 bleibt dabei teilweise ungeordnet. Das steht im Zusammenhang mit einer geringeren Grenzflächenaktivität des Peptids. In der Zweiten Näherung wurden Versuche mit Lipidmonoschichten als biomimetisches Modell für die Wechselwirkung mit der Zellmembran durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Peptide fluidisierend auf negativ geladene Dipalmitylphosphatidylglycerol (DPPG) Monoschichten auswirken, was einer Membranverdünnung an Bakterienzellen entspricht. Eine Interaktion der Peptide mit zwitterionischem Phosphatidylcholin (PC), das als Modell für Säugetierzellen verwendet wurde, konnte nicht klar beobachtet werden, obwohl biologische Experimente das hämolytische Verhalten zumindest von LL-32 zeigten. In der dritten Näherung wurde das Membranmodell näher an die Membran von humanen Erythrozyten angepasst, indem gemischte Monoschichten aus Sphingomyelin (SM) und PC hergestellt wurden. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Lipidfilme wurden zunächst ausgearbeitet und anschließend der Einfluss der Peptide untersucht. Es konnte anhand verschiedener Versuche gezeigt werden, dass die Wechselwirkung von LL-32 mit der Modellmembran verstärkt ist, wenn eine Koexistenz von fluiden und Gelphasen auftritt. Zusätzlich wurde die Wechselwirkung der Peptide mit der Membran von Krebszellen imitiert, indem ein geringer Anteil negativ geladener Lipide in die Monoschicht eingebaut wurde. Das hatte allerdings keinen nachweislichen Effekt, so dass geschlussfolgert werden konnte, dass die hohe Aktivität von LL-32 gegen Krebszellen ihren Grund in der veränderten Fluidität der Membran hat und nicht in der veränderten Oberflächenladung. Darüber hinaus wurden Ähnlichkeiten zu Melittin, einem AMP aus dem Bienengift, dargelegt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sprechen für einen Detergenzien-artigen Wirkmechanismus des Peptids LL-32 an der Zellmembran.

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Dendritische Polymere werden im zunehmenden Maße als nicht-virale Vektoren für virus- oder tumor-assoziierte Antigen-Peptide zur Entwicklung neuer immuntherapeutischer Strategien eingesetzt. Diese beruhen auf der Verwendung von dendritischen Zellen (DCs), welche Schlüsselzellen bei der Induktion und Aufrechterhaltung einer T-Zell-basierten Immunantwort darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Nitrilotriessigsäure-funktionalisierte dendritische Glycopolymere (NTA-DG) für den Transport von Antigen-Peptiden in DCs etabliert. Die Ni(II)-NTA-DGs waren durch definierte Komplexierungs- und Freisetzungseigenschaften charakterisiert. So wurde das Antigen-Peptid bei einem pH-Wert unter 6 vom polymeren Träger freigesetzt. Die gebildeten Polyplexe, zwischen Ni(II)-NTA-DG und dem Antigen-Peptid, bewirkten eine Erhöhung der Antigen-Peptid-Aufnahme in immaturen DCs (iDCs). Dieses war nach der Endozytose im frühen endosomalen und lysosomalen Kompartiment von iDCs lokalisiert. Somit kann das Antigen-Peptid am MHC Klasse II-Molekül im lysosomalen Kompartiment ohne sterische Hinderungen durch die Polymeroberfläche binden. Die Polyplexe bewirkten eine Aktivierung der iDCs durch Aufregulation der kostimulatorischen Moleküle CD86 und CD80 sowie der pro-inflammatorischen Zytokine IL-6 und IL-8. Weiterhin wurde die Migrationsfähigkeit und das pro-inflammatorische Potential der Antigen-Peptid enthaltenen maturen DCs (mDCs) aufrechterhalten. Somit stellen Ni(II)-NTA-DGs ein vielversprechendes polymeres Trägersystem für Antigen-Peptide dar.

The highly pathogenic Avian Influenza subtype H5N1 can lead to 100 % mortality in chickens. The main issue in prevention of H5N1 is the development of efficient poultry vaccines. Influenza haemagglutinin (HA) derived recombinant polypeptides would not elicit an immune response against internal viral proteins. Thus HA polypeptide use facilitates differentiation between infected and vaccinated animals (DIVA). Serological tests using recombinant immune-dominant proteins devoid of non-specific moieties present in whole cell preparations might have higher sensitivity and specificity. In the present study, four non-overlapping sequences of different functional domains of influenza A virus subtype H5 virus (A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) designated P1, P2, P5 and rHA1 were cloned and expressed in Pichia pastoris for vaccination and diagnosis purposes. The four polypeptides were expressed successfully in P. pastoris using peptone methanol (1 % (w/v) yeast extract, 2 % (w/v) peptone, 2 % (v/v) methanol). P1, P2 and rHA1 polypeptides were purified using nickel affinity chromatography, whereas, P5 was purified using lectin affinity chromatography. Correct expression was analysed by SDS-PAGE and western blot, glycosylation analysis and MALDI-TOF.The immune responses of P1, P2 and rHA1 polypeptides were assessed in BALB/C mice. To enhance antibody response, recombinant polypeptides were mixed with the Gerbu adjuvant and injected subcutaneously. Vaccination of mice induced high subtype specific antibody titres in mice as analysed by Elisa (using recombinant antigens or whole H5N1 antigen) and Immunofluorescence assay (IFA) performed on Vero cells infected with H5 (A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004). The immunogenicity of P1, P2, P5 and rHA1 polypeptides was determined in commercial layer chickens. Results showed that P1, P2 and rHA1 polypeptides induced high subtype specific antibody titres in chickens as analysed by Elisa (using recombinant antigens or whole H5N1 antigen), IFA (performed on Vero cells infected with H5N1 A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) and microneutralization test (µNT). However, P5 polypeptide was not immunogenic in chickens. Neutralizing antibodies could be detected in chicken sera immunized with P1, P2 and rHA1 polypeptides as analyzed with microneutralization test. IgY was analysed in egg yolk of chickens immunized with recombinant polypeptides. The IgY of chicken immunized with P1 and rHA1, transferred to the egg yolk was proportional to maternal serum IgY. However, IgY could not be detected in egg yolk of chickens immunized with P2 and P5 recombinant polypeptides. The more immunogenic polypeptides P1 and rHA1 were used in an recombinant Elisa (rElisa) for detection of influenza A subtype H5 in chickens and duck sera.The optimal antigen for the concentrations of rHA1, P1 was 50 ng / well, 50 ng / well. Analysis of 25 positive sera and 25 negative sera to H5 antibodies revealed that, the sensitivity of Western blot, whole H5N1 Elisa, agar gel immunodiffusion test (AGID), P1-Elisa and rHA1-Elisa was 100 %, 100 %, 52 %, 80 % and 100 %, respectively, while the specificity was 100 %, 100 %, 100 %, 72 %, and 100 %, respectively. Moreover, duck sera, with haemagglutination inhibiting titer ranged from 4 - 8 log2, were tested positive by rHA1 Elisa compared with negative duck sera. Further analysis of 179 serum samples with rHA1-Elisa in comparison with haemagglutination inhibition (HI) and commercial Elisa proved to be highly sensitive and specific. The agreement ratio between rElisa and HI was 84.9 % and between commercial Elisa (Flock check) and HI was 76.5 %. In conclusion, P. pastoris may allow development of an effective recombinant influenza vaccine based on truncated sequences of HA that might provide broader protection against H5 influenza viruses. The possibilities to use rHA1, P1 and P5 recombinant polypeptides as a vaccine against H5 influenza should be further studied. Also our study demonstrates the potential utility of recombinant Elisa as a tool for improvement of serological diagnosis of influenza A subtype H5 in chickens and ducks. / Die hochpathogene aviäre Influenza des Subtyps H5N1 erreicht beim Ausbruch von Infektionen in Nutzgeflügelbeständen Mortalitätsraten von bis zu 100 %. Effektive und kostengünstige Impfstoffe werden benötigt, die möglichst auch eine Differenzierung zwischen geimpften Tieren und mit Wild-Virus infizierten Tieren zulassen. In diesem Zusammenhang könnten Peptid-Vakzine eine mögliche Alternative zu den herkömmlichen Impfstoffen darstellen, bei denen unter Verwendung des Vollvirus Antikörper gegen mehrere Virusproteine induziert werden. Außerdem, könnten rekombinante Antigene in serologischen Tests zur Diagnose von H5 Virus in Nutzgeflügel eingesetzt werden. Von dem Einsatz spezifischer rekombinanter Antigene ist eine Verbesserung der Serodiagnostik zu erwarten. In dieser Arbeit, wurden vier verkürzte Sequenzen des Hämagglutinins (P1, P2, P5 und rHA1) von Subtyp H5 (A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) rekombinant in Pichia Pastoris exprimiert. Dazu erfolgten zunächst eine Klonierung in der Expressionsvektor pAOX und die Transformation von Pichia Pastoris. Die Expression wurde durch Methanol induziert. Der Nachweis der rekombinanten Fusionspeptiden mit C-terminalen Histidin-Tag erfolgte durch SDS-PAGE, Western Blot, Glycolysierungsanalyse, und MALDI-TOF. Der Histidin-Tag ermöglichte die Reinigung von P1, P2 und rHA1 mit Metall-Affinitätschromatographie. Polypeptid P5 hingegen wurde mittels Lectin-Affinitäts- chromatographie gereinigt. Balb/c Mäuse wurden mit Polypeptid P1, P2 bzw. rHA1, versetzt mit Gerbu Adjuvans, immunisiert. Zur Untersuchung der Immunantwort wurden die murinen Seren mittels Elisa (unter Verwendung rekombinanter Antigene oder Voll-H5N1 Antigen) sowie IFA (durchgeführt in Vero- Zellen infiziert mit A / Thailand / 1 (Kan-1) / 2004) analysiert. Dabei wurde die präferentielle Induktion von H5-spezifischen Antikörpern detektiert. Die Immunogenität der P1, P2, P5 und rHA1-Polypeptide wurde in kommerziellen Legehennen bestimmt. Seren wurden mit ELISA, IFA, und Mikroneutralizationstest (μNT) analysiert. Die ELISA-Ergebnisse zeigten, dass die Polypeptide P1, P2 und rHA1 hohe Subtyp-spezifische Antikörpertiter in Hühnern induzierten. Im µNT konnte nur ein niedriger neutralisierender Antikörpertiter nachgewiesen werden. Das P5- Polypeptid ist bei Hühnern nicht immunogen. Im Eigelb von Hühnern, die mit den rekombinanten Polypeptiden P1 und rHA1 immunisiert wurden, konnten H5-spezifische IgY Antikörper detektiert werden. Hühner, die mit P2 und P5 immunisiert wurden, zeigten keine IgY im Eigelb. Die rekombinanten Antigene P1 und rHA1 wurden im ELISA auf ihre potenzielle Eignung für die Serodiagnostik untersucht. Die optimale Antigenkonzentration war 50 ng / well. Die serologische Analyse von 25 positiven und 25 negativen Seren auf Antikörper gegen H5 zeigte, dass Sensitivität und Spezifität von Western Blot, Voll-H5N1 ELISA und rHA1-ELISA bei jeweils 100 % lagen. Bei Agargel- Immunodiffusiontest (AGID) lagen Sensitivität und Spezifität bei 52 % und 100 %, während im P1-Elisa lediglich eine Sensitivität von 80 % und eine Spezifität von 72 % erreicht wurden. Somit eignet sich rHA1 für die Anwendung in der Serodiagnostik. Bei der serologischen Untersuchung von 175 Hühnerseren wurde eine Überbestimmung zwischen rHA1-ELISA und Hämagglutinationshemmungstest (HAI) 84.9 % festgestellt, während diese zwischen dem kommerziellen ELISA (Flock Check) und HAI 76.5 % betrug. Die Ergebnisse zeigten, dass das Expressionssystem P. pastoris als Produktionssystem rekombinanter Antigene für die Serodiagnostik von H5 Influenza geeignet ist. Challenge-Versuche sind nötig, um die Eignung von rekombinanten Antigenen als möglichen Impfstoff gegen H5 Influenza zu untersuchen.