Cell culture models are helpful tools to study inflammatory diseases, like rheumatoid arthritis (RA), osteoarthritis (OA), arteriosclerosis or asthma, which are linked to increased matrix metalloproteinase (MMP) activity. Such cell culture models often focus on the secretion of cytokines and growth factors or the direct effects of disease on tissue destruction. Even though the crucial role of MMPs in inflammatory diseases is known, the results of MMP studies are contradictious and the use of MMPs as biomarkers is inconsistent. MMPs play an important role in disease pathology, as they are involved in elastin degradation in the walls of alveoli in chronic obstructive pulmonary disease (COPD), tumor angiogenesis and metastasis and in cartilage and bone degradation in arthropathies. In RA and OA MMPs are secreted by osteocytes, synoviocytes, and by infiltrating immune cells in response to the increased concentration of inflammatory mediators, like growth factors and cytokines. MMPs are zinc and calcium-dependent proteinases and play an important role in physiological and pathological extracellular matrix (ECM) turn over. Their substrate specificity gives them the ability to degrade all major ECM components, like aggrecan, elastin, gelatin, fibronectin and all types of collagen even the triple helix of collagen monomers. The ECM consists of two large three-dimensional cross-linked macromolecule classes: one are fibrous proteins, like collagen and elastin fibers that are responsible for ECM’s structure, tensile strength, resiliency, reversible extensibility, and deformability and the second class is comprised of proteoglycans composed of glycosaminoglycan (GAG) chains covalently attached to protein cores that are multifunctionally involved in signaling pathways and cell interactions. ECM is present within all tissues and organs and changes in ECM structure contribute to pathogenesis, e.g. wounded and fibrotic tissue, COPD or tumours.
This thesis primarily focuses on the development of a diagnostic peptide system, that enables to gain information on MMP activity from ECM by deploying the isobaric mass encoding strategy. The core element of the developed system is an isotopically labelled peptide sequence (mass tag), that is released in response to elevated levels of MMPs and allows multiplexed detection in tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The mass reporters possess a modular structure with different functionalities. C-terminal either a transglutaminase (TG) recognition sequence or a high molecular weight polyethylene glycol (PEG) moiety was attached to immobilize the mass reporters covalently or physically at the injection site. The following matrix metalloproteinase substrate sequence (MSS) is incorporated in two different versions with different sensitivity to MMPs. The MSS were applied in pairs for relative quantification consisting of the cleavable version synthesized with natural L-amino acids and the non-cleavable D-amino acid variant. The mass tag was synthesized with isotopically labelled amino acids and is separated from the MSS by a UV light-sensitive molecule. N-terminal the mass tag is followed by a tobacco etch virus protease (TEV) sensitive sequence, that is responsible to separate the mass tag from the affinity tag, which was either the Strep-tag II sequence or biotin and were added for purification purposes.
Chapter 1 presents a step-by-step protocol on how to design a mass tag family allowing for multiplexed analysis by LC-MS/MS. The multiplexing is achieved by developing an isobar mass tag family with four family members, which are chromatographically indistinguishable, but due to the mass encoding principles they fragment in distinct y-type ions with a mass difference of 1 or 2 Da each in MS2. Furthermore, it is explained how to covalently attach the mass reporter peptides onto ECM by the activated calcium-catalyzed blood coagulation transglutaminase factor XIII (FXIIIa). The lysine of mass reporter’s TG sequence (D-domain of insulin-like growth factor-I (IGF-I)) and a glutamine in fibronectin are covalently crosslinked by FXIIIa and build an isopeptide bond. Elevated levels of MMP release the mass reporters from ECM by recognizing the inter-positioned MSS.
The designed mass reporters were able to monitor enzyme activity in an in vitro setting with cell-derived ECM, which was shown in Chapter 2. The modular structured mass reporters were investigated in a proof of concept study. First, the different modules were characterized in terms of their MMP responsiveness and their sensitivity to TEV protease and UV light. Then the FXIIIa-mediated coupling reaction was detailed and the successful coupling on ECM was visualized by an immunosorbent assay or confocal laser scanning microscopy. Finally, the immobilized mass reporters on ECM were incubated with MMP-9 to investigate their multiplexing ability of MMP activity. The cleaved mass reporter fragments were purified in three steps and mass tags were analyzed as mix of all four in LC-MS/MS.
Chapter 3 describes the change from an immobilizing system as seen in chapter 1 and 2 to a soluble enzyme activity monitoring system that was applied in an osteoarthritic mouse model. Instead of the immobilizing TG sequence the C-terminal MMS was extended with two amino acids where one holds an azide moiety to perform a strain-promoted azide-alkyne cycloaddition to a high molecular weight dibenzocyclooctyne-polyethylene glycol (DBCO-PEG), which was chosen to retain the mass reporters at the injection site. Furthermore, the N-terminal affinity tag was extended with a 2.5 kDa PEG chain to increase the half-life of the mass reporter peptides after MMP release. The systems biocompatibility was proved but its enzyme monitoring ability in an in vivo setting could not be analyzed as samples degraded during shipping resulting from the Chinese customs blocking transport to Germany.
In summary the diagnostic peptide system was developed in two variants. The immobilized version one from chapter 1 and 2 was designed to be covalently attached to ECM by the transglutaminase-mediated cross-linking reaction. In an in vitro setting the functionality of the mass reporter system for the detection of MMP activity was successfully verified. The second variant comprises of a soluble mass reporter system that was tested in an OA mouse model and showed biocompatibility. With these two designed systems this thesis provides a flexible platform based on multiplexed analysis with mass-encoded peptides to characterize cell culture models regarding their MMP activity, to deploy cell-derived ECM as endogenous depot scaffold and to develop a mass tag family that enables simultaneous detection of at least four mass tags. / Zellkulturmodelle sind hilfreiche Werkzeuge, um entzündliche Krankheiten, wie rheumatoide Arthritis (RA), Osteoarthritis (OA), Arteriosklerose und Asthma, die mit einer erhöhten Aktivität von Matrixmetalloproteinasen (MMPs) verbunden sind, zu untersuchen. Viele Zellkulturmodelle fokussieren sich hauptsächlich auf die Sekretion von Zytokinen und Wachstumsfaktoren oder die direkten Effekte der Entzündung auf die Gewebezerstörung. Obwohl die zentrale Rolle der MMPs in entzündlichen Erkrankungen bekannt ist, wird die Untersuchung von MMPs in diesen Zellkulturmodellen vernachlässigt. MMPs spielen eine wichtige Rolle in der Krankheitsentstehung, da sie am Abbau von Elastin in den Wänden der Alveolen bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), an der Gefäßneubildung und Metastasenbildung von Tumoren und an Knorpelabbau und Knochenzerstörung in Gelenkerkrankungen beteiligt sind. In RA und OA werden MMPs von Osteozyten, Synoviozyten und infiltrierenden Immunzellen als Antwort auf erhöhte Konzentrationen an entzündlichen Mediatoren, wie Wachstumsfaktoren und Zytokinen, sekretiert. MMPs sind Zink- und Calcium-abhängige Proteinasen, die eine wichtige Rolle beim physiologischen und pathologischen Turnover der extrazellulären Matrix (EZM) spielen. Ihre Substratspezifität verleiht ihnen die Fähigkeit alle Hauptkomponenten der EZM, wie Aggrecan, Elastin, Gelatin, Fibronectin und alle Typen des Kollagens, sogar die dreifach-Helix der Kollagenmonomere, abzubauen. Die EZM besteht aus zwei großen, drei-dimensional vernetzten Makromolekülklassen: zu der ersten Klasse zählen die faserigen Proteine, wie Kollagen- und Elastinfasern, die für die Struktur der EZM, ihre Zugfestigkeit, Elastizität, reversible Dehnbar- und Verformbarkeit verantwortlich sind und zur zweiten Klasse gehören die Proteoglykane, die aus Glykosaminoglykanketten (GAG), die kovalent an Kernproteine gebunden sind, bestehen und zusammen multifunktional in Signalwege und Zellinteraktionen involviert sind. Jedes Gewebe und Organ ist mit EZM ausgekleidet und Änderungen in der EZM Struktur können zur Krankheitsentstehung beitragen, z.B. bei verletztem und fibrotischem Gewebe, COPD oder Tumoren.
Diese Promotion fokussiert sich primär auf die Entwicklung eines diagnostischen Peptidsystem, das es ermöglicht durch die Anwendung der isobaren massencodierten Strategie Informationen über MMP Aktivität der EZM zu gewinnen. Eine isotopenmarkierte Peptidsequenz stellt dabei das Kernelement des entwickelten Systems dar, welche als Antwort auf erhöhte MMP Level von der EZM freigegeben wird und eine gebündelte Detektion per Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) erlaubt. Die Massenreporter besitzen einen modularen Aufbau mit unterschiedlichen Funktionalitäten. Am C-terminalen Ende wurde entweder eine Transglutaminase (TG) Erkennungssequenz oder eine hochmolekulare Polyethylenglykol (PEG) Einheit angehängt, um die Massenreporter kovalent oder physikalische am Applikationsort zu immobilisieren. Die darauffolgende eingeschobene Matrixmetalloproteinase Substratsequenz (MSS) wurde in zwei verschiedenen Versionen mit unterschiedlicher MMP Sensitivität angewendet. Die MSSs werden für die relative Quantifizierung jeweils in Paaren verwendet, wobei die spaltbare Variante mit natürlichen L-Aminosäuren synthetisiert wird und die nicht-spaltbare Sequenz mit D-Aminosäuren. Der Mass tag wird mit isotopenmarkierten Aminosäuren versehen und ist von dem MSS durch ein lichtsensitives Molekül getrennt. N-terminal des Mass tags folgt die TEV Protease-sensitive Peptidsequenz, die zur Abspaltung des Affinitäts-tags vom Mass tag eingebaut wurde. Zur Aufreinigung dient ein Affinitätstag, der entweder aus der Strep-tag II Sequenz oder Biotin besteht.
In Kapitel 1 werden Schritt-für-Schritt Protokolle präsentiert, für die Gestaltung und Entwicklung einer Gruppe von isotopenmarkierten Peptiden, die eine simultane Analyse per LC-MS/MS zulassen. Die gleichzeitige Detektion wird dadurch erreicht, dass jedes Gruppenmitglied in der Summe die gleiche Molekülmasse besitzt, aber aufgrund der angewandten isobaren Isotopenmarkierungen fragmentieren diese in MS2 in spezifische y-Typ Ionen, die einen Massenunterschied von 1 oder 2 Da besitzen. Zudem wurde erklärt, wie die Massenreporter Peptide durch den aktivierten, Calcium-abhängigen Blutkoagulationsfaktor XIII (FXIIIa) kovalent an die EZM gebunden werden. Bei der enzymatischen Reaktion wird durch das Quervernetzen des Lysins der TG Aminosäuresequenz (der D-Domäne von IGF-I) der Massenreporter mit dem Glutamin der Aminosäureerkennungssequenz in Fibronectin eine Isopeptidbindung gebildet. Die Freisetzung der Massenreporter von der EZM erfolgt aufgrund des erhöhten MMP Level und geschieht durch die Spaltung der dazwischenliegenden MSS.
Die entwickelten Massenreporter waren in der Lage die Enzymaktivität in einer aus Fibroblasten stammenden in vitro Umgebung aus EZM zu beobachten, was in Kapitel 2 dargestellt wird. Die modulare Struktur der Massenreporter wurde in einer Machbarkeitsstudie untersucht. Zuerst wurden die verschiedenen Module bezüglich ihrer Ansprechempfindlichkeit auf MMP und ihrer Sensitivität gegenüber der TEV Protease und UV-Licht charakterisiert. Dann wurden die vier Peptide FXIIIa-vermittelt an die EZM gekoppelt und die erfolgreiche Kopplung an EZM wurde mit Hilfe eines immunologischen Verfahrens oder konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie visualisiert. Abschließend wurden die auf der EZM immobilisierten Massenreporter mit MMP-9 inkubiert, um deren Fähigkeit der gleichzeitigen Detektion von MMP Aktivität zu untersuchen. Die abgespalteten Massenreporterfragmente wurden in drei Schritten aufgereinigt und die vier isotopenmarkierten Tags wurden als Mix mittels LC-MS/MS analysiert.
Kapitel 3 beschreibt die Änderung der aus Kapitel 1 und 2 bekannten immobilisierten System zu einem löslichen System, das die Enzymaktivität in Körperflüssigkeiten bestimmen soll und in einem Mausmodell für Osteoarthritis getestet wurde. Anstelle der immobilisierenden TG Sequenz wurde der C Terminus der MSS um zwei Aminosäuren erweitert. Eine Aminosäure trägt eine Azidgruppe um eine Azid-Alkin Cycloaddition mit einem hochmolekularen PEG durchzuführen, die ausgewählt wurde, um die Massenreporter an der Injektionsstelle zurückzuhalten. Des Weiteren wurde der Affinitäts-tag mit einer 2.5 kDa PEG-Kette erweitert, um die Halbwertszeit des von MMPs freigesetzten Massenreporterpeptides zu erhöhen. Die Biokompatibilität des Systems wurde erwiesen, allerdings war es nicht möglich die MMP Aktivität in einem in vivo Model zu zeigen, da eine Analyse der Proben aufgrund von Versand- und Zollproblemen und damit verbundenen Instabilitäten nicht möglich war.
Zusammenfassend wurde ein diagnostische Peptidsystem bestehend aus zwei Varianten entwickelt. Die zu immobilisierende Version aus Kapitel 1 und 2 wurde so konzipiert, dass die Peptide durch die Transglutaminase vermittelte Quervernetzungsreaktion kovalent an EZM gebunden werden. In einem in vitro Model wurde die Funktionalität des Massenreporter Systems hinsichtlich der Detektion von MMP Aktivität erfolgreich bestätigt. Die zweite Variante, bestehend aus einem löslichen Massenreporter System, wurde in einem Osteoarthritis Mausmodel getestet und zeigte Biokompatibilität. Mit diesen zwei entworfenen Systemen stellt diese Dissertation eine flexible Plattform zur Verfügung, die basierend auf der multiplexen Detektion von isotopenmarkierten Peptiden, für die Charakterisierung von Zellkulturmodellen bezüglich deren MMP Aktivität genutzt wird, die zelluläre EZM als endogenes Depot anwendet und die durch die Entwicklung einer Familie aus isotopenmarkierten Tags eine simultane Detektion von mindestens vier Tags erlaubt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:22937 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Dodt, Katharina Anna |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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