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The results presented here strongly indicate that ubiquitination of the recombinant human alpha1 GlyR at the plasma membrane of Xenopus oocytes is involved in receptor internalisation and degradation. Ubiquitination of the human alpha1 GlyR has been demonstrated by radio-iodination of plasma membrane-boundalpha1 GlyRs, whose subunits differed in molecular weight by additional 7, 14 or 21 kDa, corresponding to the molecular weights of one, two and three conjugated ubiquitin molecules, respectively, and by co-isolation of the non-tagged human alpha1 GlyR through hexahistidyl-tagged ubiquitin. Ubiquitin conjugated GlyRs where prominent at the plasma membrane, but could be hardly detected in total cell homogenates, indicating that ubiquitination takes place exclusively at the plasma membrane. Ubiquitination of the alpha1 GlyR at the plasma membrane was no longer detectable when the ten lysine residues of the cytoplasmic loop between transmembrane segments M3 and M4 were replaced by arginines. Despite this proteolytic cleavage continued to take place at the same extent as with the wild type alpha1 GlyR, suggesting that removal of GlyRs from the plasma membrane and routing to lysosomes for degradation were not dependent on ubiquitination. Also replacing a tyrosine in position 339, which was speculated to be part of an additional endocytosis motif, did not lead to a significant reduction of cleavage of the GlyR alpha1 subunits. However, a mutant lacking both, ubiquitination sites and 339Y, was significantly less processed. These results may suggest that the GlyR alpha1 subunit harbors at least two endocytosis motifs, which may act independently to regulate the density of alpha1 GlyR. Apparently, each of the two signals may be capable of compensating entirely the loss of the other. Part two of this Dissertation demonstrates that the correct topology of the glycine receptor alpha1 subunit depends critically on six positively charged residues within a basic cluster, RFRRKRR, located in the large cytoplasmic loop following the C-terminal end of M3. Neutralization of one or more charges of this cluster, but not of other charged residues in the M3-M4 loop, led to an aberrant translocation into the endoplasmic reticulum lumen of the M3-M4 loop. However, when two of the three basic charges located in the ectodomain linking M2 and M3 were neutralized, in addition to two charges of the basic cluster, endoplasmic reticulum disposition of the M3-M4 loop was prevented. We conclude that a high density of basic residues C-terminal to M3 is required to compensate for the presence of positively charged residues in the M2-M3 ectodomain, which otherwise impair correct membrane integration of the M3 segment. Part three of this Dissertation describes my contribution (blue native PAGE analysis of metabolically labeled alpha7 and 5HT3A receptors and the examination of the glycosylation state of metabolically labeled alpha7 subunits) to a work on the limited assembly capacity of Xenopus oocytes for nicotinic alpha7 subunits. While 5HT3A subunits combined efficiently to pentamers, alpha7 subunits existed in various assembly states including trimers, tetramers, pentamers, and aggregates. Only alpha7 subunits that completed the assembly process to homopentamers acquired complex-type carbohydrates and appeared at the cell surface. We conclude that Xenopus oocytes have a limited capacity to guide the assembly of alpha7 subunits, but not 5HT3A subunits to homopentamers. Accordingly, ER retention of imperfectly assembled alpha7 subunits rather than inefficient routing of fully assembled alpha7 receptors to the cell surface limits surface expression levels of alpha7 nicotinic acetylcholine receptors. Part four of this Dissertation describes my contribution (the biochemical analysis of the human P2X2 and P2X6 subtypes) to studies on the quaternary structure of P2X receptors. Armaz Aschrafi, the main author of the paper showed that subsequent to isolation under non-denaturing conditions from Xenopus oocytes the His-rP2X2 protein migrated on blue native PAGE predominantly in an aggregated form. The only discrete protein band detectable could be assigned to homotrimers of the His-rP2X2 subunit. Because of the exceptional assembly-behaviour of the rP2X2 protein compared to the rP2X1, rP2X3, rP2X4 and rP2X5 proteins, its human orthologue was investigated in the same manner. In contrast to rP2X2 subunits, hP2X2 subunits migrated under virtually identical conditions in a single defined assembly state, which could be clearly assigned to a trimer. P2X6 subunits represent the sole P2X subtype that is unable to form functional homomeric receptors in Xenopus oocytes. The blue native PAGE analysis of metabolically labeled hP2X6 receptors and the examination of the glycosylation state revealed that hP2X6 subunits form tetramers and aggregates that are not exported to the plasma membrane of Xenopus oocytes.
Die heutige moderne Toxikologie ist dem 3-R-Prinzip (Russel und Burch, 1959), einem Konzept zur Verminderung und Verkürzung von Tierversuchen, verpflichtet. Allerdings stellt insbesondere die für die Zulassung und Registrierung neuer Arzneistoffe oder Chemikalien behördlich geforderte Prüfung von Substanzen auf kanzerogene Eigenschaften immer noch einen langwierigen Prozess mit einem hohen Bedarf an Versuchstieren dar. Daher sollte unter dem Einsatz von Methoden der Proteomforschung eine Identifizierung und Charakterisierung neuer Protein-Biomarker erfolgen, die eine verbesserte Vorhersage von Prozessen der chemisch induzierten Leberkanzerogenese erlauben. Motivation für diese Arbeiten war die Annahme, dass durch chemische Substanzen angestoßene molekulare Prozesse mit proteinanalytischen Methoden früher detektierbar sind als dies mit konventionellen toxikologischen Methoden möglich ist, welche vor allem die Prüfung von Substanzen im Tierversuch mit anschließender histopathologischer und klinisch-biochemischer Bewertung der toxischen Effekte vorsehen. Die Untersuchungen sollten Aufschluss darüber geben, ob Proteomstudien die traditionelle Toxikologie mit einer verbesserten, insbesondere verkürzten Erkennung und Aufklärung toxischer Wirkmechanismen unterstützen können. In der Zukunft würde dies eine signifikante Verkürzung und Verbesserung von Tierversuchen bedingen, verbunden mit einer Verringerung der Anzahl an Versuchstieren und letztlich einer Einsparung von Kosten und Zeit. N-Nitrosomorpholin (NNM), ein bekanntes Leberkanzerogen, diente als Modellsubstanz zur Abbildung des Kanzerogeneseprozesses. Zur Induktion von Lebertumoren sowie frühen präneoplastischen Veränderungen wurden Ratten in zwei Tierstudien über definierte Zeiträume mit zwei unterschiedlichen Dosierungen NNM behandelt. Das nach verschiedenen Behandlungszeitpunkten gewonnene Lebergewebe diente als Ausgangsmaterial für die nachfolgenden proteomischen Analysen. Dazu kam vor allem die zweidimensionale Gelelektrophorese (2-DE) zum Einsatz, gefolgt von MALDI-Massenspektrometrie (MS) zur Identifizierung differentiell exprimierter Proteine. Ausserdem wurden aus den Leberproteinextrakten unter Einsatz der SELDI (Surface Enhanced Laser Desorption and Ionisation)-Technologie Proteinprofile erstellt und für die verschiedenen durch NNM-Behandlung aufgetretenen Leberveränderungen charakteristische Signalmuster ermittelt. Das Potential der iTRAQ-Technologie, einer MS-basierten Quantifizierungsstrategie wurde in einem weitergehenden Schritt ermittelt. Mittels 2-DE/MS-Analyse konnten einerseits Proteine identifiziert werden, deren vermehrte Expression die nach einem Tag der Behandlung mit NNM ausgelösten akut toxischen Effekte der Chemikalie in der Leber reflektierten. Andererseits lieferte die Analyse von Proben, in denen nach 25 Wochen Lebertumore diagnostiziert wurden, differentiell exprimierte Proteine, die als Tumor-spezifische Markerproteine charakterisiert werden konnten. Im Hinblick auf das vorrangige Ziel der Arbeit, neue Biomarker zu identifizieren, die schon zu einem frühen Zeitpunkt des Tierversuchs bereits einsetzende kanzerogene Prozesse aufzeigen und damit in der Zukunft einen Beitrag leisten könnten, konventionelle toxikologische Prüfmethoden zu unterstützen oder gar zu verkürzen, erfolgte eine Fokussierung der Analyse auf Proben von Tieren, die drei Wochen lang mit NNM behandelt wurden. Bereits zu diesem Zeitpunkt wurden Proteine detektiert, deren Deregulation mit frühen Prozessen der Leberkanzerogenese in Einklang gebracht werden konnte. Vor allem 18 Proteine, die sich in den Proben nach drei Wochen der NNM-Behandlung wie auch in dem Gewebe von Tieren mit Tumoren als dereguliert erwiesen, wurden als potentielle frühe Biomarker mit einem enormen Potential zur verbesserten Vorhersage von Leberkanzerogenese charakterisiert. Um die durch 2-DE/MS-Analyse ermittelten potentiellen frühen Biomarker in ihrem detektierten Regulationsmuster zu bestätigen und damit das Vertrauen in die 2-DE/MS-Ergebnisse zu erhöhen, erfolgte eine Prävalidierung der Markerproteine mit unabhängigen Methoden. Hierfür wurde der immunologische Nachweis der Proteine in Form des Western Blottings sowie eine MS-basierte Quantifizierung unter Anwendung der iTRAQ-Technik herangezogen. Des Weiteren eröffnete die Integration der Arbeit in ein Verbundprojekt die Möglichkeit zum Vergleich der Proteinexpressionsdaten mit den Ergebnissen der globalen Genexpressionsanalyse, die bei einem Projektpartner durchgeführt wurde. Während durch Western Blotting nur wenige der 18 potentiellen frühen 2-DE/MS-Biomarker in ihrer nach drei Wochen Behandlung beobachteten Regulation bestätigt werden konnten, wurden durch Einsatz der iTRAQ-Technik 11 der Biomarker verifiziert und damit der Wert dieser Quantifizierungsstrategie für den Ansatz der Prävalidierung unterstrichen. Der Abgleich mit den Genexpressionsdaten legte für 63% der Proteine eine übereinstimmende Deregulation auf Genniveau offen. Insgesamt wurden 13 der 18 potentiellen frühen 2-DE/MS-Biomarker durch mindestens eine weitere unabhängige Technologie in ihrer im 2-DE-Gel beobachteten Expressionsveränderung bestätigt. Zusammenfassend lieferte die 2-DE/MS-Analyse des durch NNM veränderten Lebergewebes zahlreiche Protein-Biomarker, die auf molekularer Ebene sowohl frühe als auch späte Stadien der Leberkanzerogenese reflektieren. Vor allem die charakterisierten potentiellen frühen Biomarkern weisen ein signifikantes Potential auf, in der Zukunft konventionelle toxikologische Prüfsysteme zu unterstützen und möglicherweise einen Beitrag zur Verkürzung von Tierstudien und damit zur Einsparung von Versuchstieren zu leisten. Durch Prävalidierung der meisten der frühen Markerproteine durch unabhängige Methoden wurde dieses Potential als auch der Wert von Methoden der Proteomforschung zur allgemeinen Unterstützung der prädiktiven Toxikologie noch einmal unterstrichen.
Chemokines play a key role in the cellular infiltration of inflamed tissue. They are released by a wide variety of cell types during the initial phase of host response to injury, allergens, antigens, or invading microorganisms, and selectively attract leukocytes to inflammatory foci, inducing both migration and activation. Monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1), a member of the CC chemokine superfamily, functions in attracting monocytes, T lymphocytes, and basophils to sites of inflammation. MCP-1 is produced by monocytes, fibroblasts, vascular endothelial cells and smooth muscle cells in response to various stimuli such as tumour necrosis factor-a (TNF-a), interferon-g (IFN-g), and interleukin-1b (IL-1b). It also plays an important role in the pathogenesis of chronic inflammation, and overexpression of MCP-1 has been implicated in diseases including glomerulonephritis and rheumatoid arthritis. Oligonucleotide-directed triple helix formation offers a means to target specific sequences in DNA and interfere with gene expression at the transcriptional level. Triple helix-forming oligonucleotides (TFOs) bind to homopurine/homopyrimidine sequences, forming a stable, sequence-specific complex with the duplex DNA. Purine-rich sequences are frequent in gene regulatory regions and TFOs directed to promoter sequences have been shown to prevent binding of transcription factors and inhibit transcription initiation and elongation. Exogenous TFOs that bind homopurine/ homopyrimidine DNA sequences and form triple-helices can be rationally designed, while the intracellular delivery of single-stranded RNA TFOs has not been studied in detail before. In this study, expression vectors were constructed which directed transcription of either a 19 nt triplex-forming pyrimidine CU-TFO sequence targeting the human MCP-1 or two different 19 nt GU- or CA-control sequences, respectively, together with the vector encoded hygromycin resistance mRNA as one fusion transcript. HEK 293 cells were stable transfected with these vectors and several TFO and control cell lines were generated. Functional relevant triplex formation of a TFO with a corresponding 19 bp GC-rich AP-1/SP-1 site of the human MCP-1 promoter was shown. Binding of synthetic 19 nt CUTFO to the MCP-1 promoter duplex was verified by triplex blotting at pH 6.7. Underlining binding specificity, control sequences, including the GU- and CA-sequence, a TFO containing one single mismatch and a MCP-1 promoter duplex containing two mismatches, did not participate in triplex formation. Establishing a magnetic capture technique with streptavidin microbeads it was verified that at pH 7.0 the 19 nt TFO embedded in a 1.1 kb fusion transcript binds to a plasmid encoded MCP-1 promoter target duplex three times stronger than the controls. Finally, cell culture experiments revealed 76 ± 10.2% inhibition of MCP-1 protein secretion in TNF-a stimulated CU-TFO harboring cell lines and up to 88% after TNF-a and IFN-g costimulation in comparison to controls. Expression of interleukin-8 (IL-8) as one TNF-a inducible control gene was not affected by CU-TFO, demonstrating both highly specific and effective chemokine gene repression. Furthermore, another chemokine target, regulated upon activation normal T cell expressed and secreted (RANTES), which plays an essential role in inflammation by recruiting T lymphocytes, macrophages and eosinophils to inflammatory sites, was analysed using the triplex approach. A 28 nt TFO was designed targeting the murine RANTES gene promoter, and gel mobility shift assays demonstrated that the phosphodiester TFO formed a sequencespecific triplex with the double-stranded target DNA with a Kd of 2.5 x 10-7 M. It was analysed whether RANTES expression could be inhibited at the transcriptional level testing the TFO in two different cell lines, T helper-1 lymphocytes and brain microvascular endothelial cells (bend3 cells). Although there was a sequence-specific binding of the TFO detectable in the gel shift assays, there was no inhibitory effect of the exogenously added and phosphorothioate stabilised TFO on endogenous RANTES gene expression visible. Additionally, the small interfering RNA (siRNA) approach was tested as another strategy to inhibit expression of the pro-inflammatory chemokines MCP-1 and RANTES. Two different methods were pursuit, describing transient transfection with vector derived and synthetic siRNA. The vector pSUPER containing the siRNA coding sequence was used to suppress endogenous MCP-1 in HEK 293 cells. An empty vector without RNA sequence served as a control. Inhibition due to the siRNA was measured in stimulated and unstimulated cells. In TNF-a stimulated cells MCP-1 protein synthesis was decreased by 35 ± 11% after siRNA transfection. Using a synthetic double-stranded siRNA, the TNF-a induced MCP-1 protein secretion could be successfully inhibited about 62.3 ± 10.3% in HEK 293 cells, indicating that the siRNA is functional in these cells to suppress chemokine expression. The siRNA approach targeting murine RANTES in Th1 cells and b-end3 cells revealed no inhibition of endogenous gene expression. Gene therapy approaches rely on efficient transfer of genes to the desired target cells. A wide variety of viral and nonviral vectors have been developed and evaluated for their efficiency of transduction, sustained expression of the transgene, and safety. Among them, lentiviruses have been widely used for gene therapy applications. In order to improve the delivery of TFOs or siRNAs into the target cells, cloning of the lentiviral transfer vector SEW, the production of lentiviral particles by transient transfection were performed with the aim to generate lentiviral vector-derived TFOs in further experiments. Here, Th1 cells were transduced with infectious lentiviral particles and transduction efficacy was measured. Transduction efficacy higher than 82% could be achieved using the lentiviral vector SEW, opening optimal possibilities for the TFO or siRNA approach.
Um das Potential von modernen Arzneistoffe wie Nukleinsäuren und ihren Analoga ausnutzen zu können und sie an ihren Wirkort ins Zellinnere bringen können, benötigt man Transportvehikel, da sie selbst nur über eine schlechte Zellmembrangängigkeit verfügen. Bei der Entwicklung zukunftsträchtiger Arzneiformen spielen biokompatible, kolloidale Trägersysteme, die zielgerichtet bestimmte Gewebe / Zellen ansteuern, eine große Rolle. Ihre Aufgabe ist es dem Wirkstoff zur Überwindung von Zellmembranen zu verhelfen, wobei gleichzeitig ein Schutz vor enzymatischem Abbau gewährleistet wird. Zur Erhöhung der Zell- und Gewebeselektivität können die Träger dann mit diversen Targeting-Liganden bestückt werden. Als Trägerstoff können verschiedenste synthetische und natürliche Polymere eingesetzt werden. Zum Einsatz kamen hier die beiden natürlichen Proteine Gelatine und Albumin, die untoxisch, biokompatibel und bioabbaubar sind. Die partikulären Strukturen wurden durch Lösungsmittelzusatz zu einer wässrigen Proteinlösung in einem Desolvatationsprozess gewonnen. Der Nukleinsäureeinschluss erfolgte adsorptiv und kovalent in die Polymermatrix oder kovalent an die Oberfläche. Als Drug-Targeting-Ligand wurden aufgrund ihrer großen Spezifität, Selektivität und Variabilität Antikörper eingesetzt. Durch chemische Oberflächenmodifikationen wurde die Voraussetzung geschaffen, biotinylierte Strukturen kovalent an die Nanopartikeloberfläche zu binden, so dass ein spezifisches Drug-Targeting-System entstand. Die kolloidalen, proteinbasierten Nanopartikel wurden hinsichtlich ihrer verschiedenen physikalischen Parameter analysiert. Neben den Parametern wie Größe, Zetapotential, Morphologie und Stabilität wurde auch die Zelltoxizität untersucht. Das Antikörper-beladene Trägersystem wurde auf seine Funktionalität und Effizienz in Zellkultur getestet. Albumin Nanopartikel: Zur Schaffung eines universell einsetzbaren Trägersystems wurden auf der Nanopartikeloberfläche reaktive SH-Gruppen eingeführt. Der Einsatz eines bifunktionalen Crosslinkers schuf die Möglichkeit mit Avidin ein zweites Protein, welches einen stabilen Komplex mit Biotin bildet an die Oberfläche zu binden. Man verfügt jetzt über ein 200 – 350 nm große, negativ geladene und untoxische Trägerpartikel, die mit vielen unterschiedlichen biotinylierten Liganden verbunden werden können. Sie verfügen weiterhin über eine ausreichende Stabilität im Zellkulturmedium. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Oligonukleotid-Beladung der Nanopartikel wurde auf drei verschiedenen Bindungswegen vollzogen. Die Wirkstoffeinbindung erfolgte zum Ersten adsorptiv über elektrostatische Wechselwirkungen in die Trägermatrix beim partikelformenden Prozess selbst. Die folgende Einführung von Thiolgruppen und die Kopplung mit Avidin über einen bifunktionalen Crosslinker wurde erfolgreich umgesetzt. Zweitens wurde eine kovalente Wirkstoffverknüpfung wieder über einen bifunktionalen Crosslinker entwickelt. Dafür wurden durch die Umsetzung mit einem Spacer die freien Aminogruppen des Trägermaterials aktiviert. Das verwendete Oligonukleotid wurde mit einer Thiolgruppe versehen und so an das aktivierte HSA gebunden. Das gebildete lösliche Konjugat wurde wieder durch Desolvatation zu Nanopartikeln umgesetzt. Als dritte Möglichkeit erfolgte eine oberflächliche Komplexbildung über das Avidin-System mit biotinylierten Phosphorothioaten. Gelatine-Nanopartikel: Für die Herstellung der Nanopartikel wurde ein doppeltes Desolvatationsverfahren eingesetzt. Die Oberflächenmodifikationen wurden analog zu den Umsetzungsbedingungen von HSA-NP durchgeführt. Die Bindungsfähigkeit des NeutrAvidins kann auch hier wieder durch die Kopplung an die Partikeloberfläche und den Aufreinigungsprozess beeinträchtigt sein. Daher wurde eine Nachweisreaktion mit einem fluoreszenzmarkierten Biotinderivat etabliert und die Funktionsfähigkeit des Avidins nachgewiesen. Um ein spezifisches Drug-Targeting-System zu etablieren, wurde der Träger zur Überwindung der Zellmembranen mit zwei verschiedenen biotinylierten Antikörpern ausgestattet. Eingesetzt wurde ein biotinylierter anti-CD3-AK, der von T-Lymphozyten internalisiert wird und ein biotinylierter anti-Her2neu-AK (Trastuzumab). Für die Bestimmung der gebundenen Antikörpermenge wurden zwei Methoden etabliert und lieferten für beide Antikörper eine Bindungseffizienz von nahezu 100%. In den anschließenden Zellkulturversuchen konnte eindrucksvoll eine rezeptorvermittelte Zellaufnahme in Lymphozyten und Brustkrebszellen über die an Gelatine-Nanopartikel gekoppelten, spezifischen Drug-Targeting-Liganden anti-CD3 und Trastuzumab gezeigt werden.
Niacin ist neben seiner Bedeutung als Vitamin im menschlichen Organismus ein seit langem bekannter Wirkstoff bei der Therapie von Fettstoffwechselstörungen. Sein großer Vorteil gegenüber anderen Lipidsenkern liegt in der positiven Beeinflussung aller bedeutenden Lipid – Bestandteile im Blut. Es wird im menschlichen Organismus sehr rasch metabolisiert. Die beiden Hauptmetaboliten sind das Nikotinamid und die Nikotinursäure. Angesichts der pharmakologischen und therapeutischen Bedeutung von Niacin, spielt die Analytik dieser Verbindung sowie seiner Metaboliten eine wichtige Rolle, zumal Niacin aktuell in immer weiteren Präparaten (unter anderem in Form von Kombipräparaten) weiterentwickelt und eingesetzt wird. Es überraschte daher, dass bislang in der Literatur keine LC-MS Methode zur Bestimmung von Niacin beschrieben war, wo sich doch die LC-MS in den letzten Jahren zur vorherrschenden Analysentechnik für die Analyse von Biomolekülen und Wirkstoffen in biologischen Matrices entwickelt hat, da sie in der Regel geringe Anforderungen an die Probenaufarbeitung stellt und einen hohen Probendurchsatz erlaubt. In der vorliegenden Arbeit konnte jedoch erstmals gezeigt werden, dass LC-MS eine leistungsfähige Methode zur simultanen, quantitativen Bestimmung von Nikotinsäure, Nikotinamid und Nikotinursäure in Humanplasma darstellt. Die vorgestellte Methode beweist hohe Selektivität, Empfindlichkeit, Genauigkeit, Richtigkeit und Reproduzierbarkeit im Konzentrationsbereich von 50.0 – 750 ng/mL Plasma für alle drei Analyten bei relativ kurzer Analysenzeit. Verglichen mit früher entwickelten Methoden ist keine zeitaufwendige Probenaufarbeitung notwendig. Alle drei Analyten konnten in einem Schritt mit einer einzigen Festphasenextraktion ohne zeitaufwendige Derivatisierungschritte aus Plasma extrahiert werden. Die Validierung dieser Methode wurde gemäß aktuell geltender Standards durchgeführt. Alle ermittelten Validierungsparameter wie Spezifität, Linearität, Präzision, Richtigkeit, Reproduzierbarkeit, untere Quantifizierungsgrenze und Stabilität lagen innerhalb der vorgegebenen Grenzen. Damit erfüllt die entwickelte LC-MS Methode die allgemein gültigen Anforderungen an die Validierung bioanalytischer Methoden. Innerhalb einer klinischen Bioäquivalenz-Studie zu 1000 mg Niacin Tabletten, die erfolgreich bei AAI Development Services durchgeführt wurde, konnten gute und plausible Ergebnisse erzielt werden. Der validierte Konzentrationsbereich war ausreichend um alle drei Analyten zufriedenstellend zu detektieren. Damit zeigt sich, dass diese entwickelte LC-MS Methode eine leistungstarke Alternative zur simultanen Bestimmung von Niacin und seinen Hauptmetaboliten darstellt, welche erfolgreich in pharmakokinetischen oder toxikokinetischen Studien eingesetzt werden kann. Die in dieser Dissertation vorgestellte Analysenmethode wurde inzwischen in der Fachliteratur publiziert [83]. Eine Kopie dieser Publikation ist dieser Arbeit beigefügt.
The analysis of doxorubicin-loaded poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles in in vitro glioma models
(2005)
The use of doxorubicin for the treatment of glioma tumours would be an important approach in the chemotherapy treatment since doxorubicin is a very effective neoplastic agent. However, one problem faced by the use of doxorubicin for the treatment of brain tumours is the fact that doxorubicin is a substrate of an efflux pump protein, P-glycoprotein (P-gp), which is located on the luminal side of the brain capillary endothelium and in many tumour cells, which acts pumping out of the cell such substrate, and blocking its transport into the cell. A strategy to enhance the doxorubicin delivery into the brain would be the use of nanoparticles. This work showed, that the treatment of doxorubicin bound to poly(butyl cyanoacrylate) nanoparticles decreased the viability of the three glioma cell lines, the GS-9L, the RG-2, and the F-98 cell lines significantly in comparison to doxorubicin in solution, indicating an improvement of the nanoparticles-bound doxorubicin transport into the cells. The modification of the nanoparticles surface with different surfactants may even enhance the delivery of the drug into the cells. Searching for an improvement of the doxorubicin internalization, the nanoparticles surface was modified using polysorbate 80, poloxamer 188 and poloxamine 908 surfactants. The poloxamer 188 and polaxamine 908 surfactant modified nanoparticles did not show a significant enhancement of the doxorubicin internalization. Contrary, the treatment of polysorbate 80 surfactant modified nanoparticles led in some cases to a significant decrease of cancer cell viability. The use of doxorubicin in the three glioma cell lines allowed the measurement of different responses towards doxorubicin treatment. The different responses were due to the entry of various amounts of doxorubicin into the glioma cells, which express the P-glycoprotein in their cellular membrane. A higher level of the P-gp expression correlated with a weaker response towards the doxorubicin treatment. The GS-9L cell line showed a significant higher level of P-gp expression than the F-98, and RG-2 cell lines, and consequently, the GS-9L cell line presented the highest resistance to doxorubicin with the highest viability values after doxorubicin treatment. Due to the fact that the transport of doxorubicin is governed by the activity of the P-gp in the studied glioma cells, the use of poloxamer 185 as a P-gp inhibitor resulted in an enhancement of the uptake as well as of the accumulation of doxorubicin into the cells. The effect of poloxamer 185 on the doxorubicin uptake was significant marked in the case of doxorubicin-resistance cells, as the GS-9L cell line. In some cases, the presence of the nanoparticles formulation showed also an influence on such uptake improvement. The use of a P-gp inhibitor in combination with chemotherapeutic agents leads to encouraging results. Because of the wide spectrum of substances acting as P-gp inhibitors, the exact inhibitory mechanisms remain still unclear. For instance in our results the evaluation of a described P-gp inhibitor, polysorbate 80 did not show an important improvement in the doxorubicin uptake in the P-gp-expressing cell line, GS-9L. On the other hand, the Polysorbate 80-Dox-PBCA nanoparticles formulation decreased in greater extend the viability of the glioma cells than the poloxamer185-Dox-PBCA nanoparticles. Although, the P-gp inhibition was undoubtedly higher in the presence of poloxamer 185, polysorbate 80 showed a main effect on the disruption of the cellular membrane, resulting in an important cellular viability decrease. It seems that poloxamer 185 presents a direct effect on the functionality of the P-gp protein, which would be of great importance in the sensitization of resistant cancer cells. The range of concentration of poloxamer 185 is very important to yield an inhibitory effect on the P-gp-mediated transport mechanism. The accumulation of Rhodamine-123 (Rho-123), a known P-gp substrate, increased in a range of concentration from 0.001 % to 0.01, whereas at 0.1 % poloxamer 185 the accumulation significantly decreased. A maximal Rho-123 accumulation was reached at 0.01 % poloxamer 185.
Acute myeloid leukemia (AML) is characterized by the accumulation of a large number of abnormal, immature blast cells. Recently, histone deacetylase inhibitors (HDIs) received considerable interest on the ground of their ability to overcome the differentiation block in these leukemic blasts regardless of the primary genetic alteration, an effect achieved either alone or in combination with differentiating agents, such as all-trans retinoic acid (t-RA). Valproic acid (VPA), a potent HDI, is now under clinical evaluation owing to its potent differentiation effect on transformed hematopoietic progenitor cells and leukemic blasts from AML patients. Conversely, in a clinical study by Bug et al., the favorable effects of the combination treatment with t-RA/VPA in advanced acute myeloid leukemia patients were reported to be most likely due to an enhancement of nonleukemic myelopoiesis and the suppression of malignant hematopoiesis rather than enforced differentiation of the leukemic cells. Based on the hypothesis that VPA influences normal hematopoiesis, the effect of chromatin modeling through VPA on HSCs was investigated with respect to differentiation, proliferation as well as self-renewal in the present study. It has been shown that valproic acid increases both proliferation and self-renewal of HSC. It accelerates cell cycle progression of HSC accompanied by a down-regulation of p21cip-1/waf-1. Furthermore, valproic acid inhibits GSK3B by phosphorylation on Ser9 accompanied by an activation of the Wnt signaling pathway as well as by an up-regulation of HoxB4, a target gene of Wnt signaling. Both are known to directly stimulate the proliferation of HSC and to expand the HSC pool. To sum up, valproic acid, a potent histone deacetylase inhibitor known to induce differentiation and/or apoptosis in leukemic blasts, stimulates the proliferation and self-renewal of hematopoietic stem cells. Therefore, the data reported in this study suggest to reconsider the role of histone deacetylase inhibitors from a differentiation inducer to a coadjuvant factor for increasing the response to conventional therapy in acute myeloid leukemia.
Haematopoietic stem cells (HSCs) are regarded as the prime target for gene therapy of inherited and acquired disorders of the blood system, e.g. X-linked chronic granulomatous disease (X-CGD). The major reason for this is that HSCs posses the ability to self renew as well as the potential to differentiate into all lineage-specific cell types. However, the need to reach and to maintain sufficient therapeutic levels of genetically modified stem cells and their progeny after gene delivery still presents major challenges for current HSC gene therapy approaches. In particular, one of the main limitations for most genetic defects is the lack of a selective growth advantage of gene-modified cells after engraftment. In vitro and in vivo methods have been developed that focus on either positive or negative selection of HSCs. An artificial selection advantage can be conferred to transduced HSCs by incorporating a selection marker in addition to the therapeutic transgene. In the present study, two novel strategies for positive selection of murine gp91phox gene-modified haematopoietic stem cells were developed and tested, bearing in mind that with selective growth advantage, the possibility of uncontrolled proliferation arises. The first strategy to be investigated was based on the homeobox transcription factor HOXB4, which plays an important role in the control of haematopoietic stem cell proliferation and differentiation. Overexpression of a retroviral bicistronic construct containing the therapeutic gene gp91phox and HOXB4 in murine primary bone marrow cells led to a significant 3–4-fold expansion of transduced cells ex vivo. The numbers of transgene-expressing cells increased 2–3-fold after 2 weeks cultivation under cytokine stimulation. Furthermore, the clonogenic progenitor cell assay (CFU assay) demonstrated that the number of colony-forming cells had increased to levels 2-fold higher than those of mock-transduced cells after 1 week of culture, thereby augmenting the presence of a significant number of stem/progenitor cells in the selected cell population. However, in our experiments, HOXB4-overexpressing murine HSCs did not show any repopulating advantage in transplanted recipient mice over control construct-transduced HSCs. These results indicate that selective expansion of gp91phox gene-modified HSCs can be induced by the HOXB4 transcription factor ex vivo but not in vivo. This is possibly dependent on HOXB4 expression levels, which are too low in vivo to achieve selection. The second strategy made use of a chemically inducible dimerizer system consisting of the therapeutic gene gp91phox and a fusion protein, containing sequences from a growth factor receptor signalling domain (epidermal growth factor receptor, EGFR, or prolactin receptor, PrlR) and the drug binding protein FKBP12, as the selection cassette. This strategy aimed to allow inducible selection that could be easily switched off. The activity of these fusion proteins is controlled through the small molecular dimerizer AP20187. Transduction of BaF/3 cells with lentiviral vectors expressing the EGFR construct induced proliferation and led to complete selection within 18 days (99%). However, removing AP20187 could not turn off proliferation. This construct is, therefore, not suitable as a selection cassette for the expansion of gene-modified HSCs due to its oncogenic potential. Transduction of the construct containing the intracellular domain of PrlR caused significant selective expansion of AP20187-treated BaF/3 cells. Following expression in cells, the fusion protein, which lacks membrane-anchoring sequences, mainly localized to the cytoplasm. Evidence was found to indicate that activated STAT5 might be responsible for this effect. Upon expression of the prolactin construct, phosphorylation of STAT5 and its DNA-binding activity to a ß-casein promoter sequence was strongly increased. Importantly, the induced proliferation was reversible after removal of AP20187. Transduced Sca1+ bone marrow cells obtained from C57BL/6-CD45.1 mice could be expanded about 20–100-fold ex vivo in the presence of AP20187 and mSCF without losing progenitor cell features and the capability to contribute to all lineages of the haematopoietic system. To exclude oncogenic outgrowth of one single clone, the polyclonality of selected cells was proven by ligation-mediated PCR (LM-PCR) analysis. In mouse transplantation experiments, ex vivo-expanded cells repopulated the bone marrow of lethally irradiated mice suggesting that the ex vivo expansion took place at the level of haematopoietic stem and/or progenitor cells. Genomic gp91phox sequences were detected in the bone marrow, spleen and peripheral blood cells of transplanted animals, indicating that gp91phox-containing cells most likely contributed to the reconstitution of haematopoiesis in these mice.
Systematisch verabreichte Chemotherapeutika sind oft uneffektiv bei der Behandlung von Krankheiten des zentralen Nervensystems (ZNS). Eine der Ursachen hierfür ist der unzureichende Arzneistoff-Transport ins Gehirn aufgrund der Blut-Hirn-Schranke. Eine der Strategien für den nicht-invasiven Wirkstoff-Transport ins Gehirn ist die Verwendung von Nanopartikeln. Polybutylcyanoacrylat-Nanopartikel, die mit Polysorbat 80 (Tween® 80) überzogen wurden, können die Blut-Hirn-Schranke passieren und somit Wirkstoffe ins Gehirn transportieren. Wird die Blut-Hirn-Schranke durch einen Hirntumor partiell beschädigt und hierdurch ihre Permeabilität am Ort des Tumors erhöht, können Nanopartikel den Tumor zusätzlich durch den sogenannten EPR-Effekt erreichen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Beladung der Nanopartikel durch Variation der Formulierungparameter mit dem Ziel optimiert, eine Formulierung mit höherer Wirksamkeit für die Therapie von Glioblastom-tragenden Ratten zu entwickeln. Außerdem wurde das Potential von Doxorubicin, das an mit „Stealth Agents“ überzogenen Polybutylcyanoacrylat-Nanopartikel gebunden war, für die Chemotherapie von Hirntumoren untersucht. Im zweiten Teil dieser Studie wurden die Gehirn- und Körperverteilung in gesunden und in Glioblastom-101/8-tragenden Ratten nach i.v.-Gabe von Poly(butyl-2-cyano[3- 14C]acrylat)-Nanopartikeln, die mit Polysorbat 80 beschichtet wurden, und solchen, die noch zusätzlich mit Doxorubicin geladen waren (DOX-14C-PBCA + PS), untersucht. Die Standardformulierung von Doxubicin-Polybutylcyanoacrylat-Nanopartikeln (DOX-NP) wurde durch anionische Polymerisierung von Butylcyanoacrylat in Anwesenheit von DOX hergestellt. Zusätzlich wurden unterschiedliche DOX-NP Formulierungen durch Veränderung der Herstellung produziert. Das therapeutische Potential der Formulierungen wurde in Ratten mit ins Gehirn transplantieren Glioblastom 101/8 untersucht. Neben Polysorbat 80 wurden Poloxamer 188 und Poloxamin 908 als Überzugsmaterial verwendet. Die Resultate ergaben, dass die mit Polysorbat 80 überzogene Standardformulierung am effektivsten war. Die höhere Wirksamkeit von DOX-NP+PS 80 könnte durch die Fähigkeit dieser Träger erklärt werden, den Wirkstoff während eines frühen Stadiums der Tumorentwicklung durch einen Rezeptor-vermittelten Mechanismus, der durch den PS 80-Überzug aktiviert wurde über die intakte Blut-Hirn-Schranke, zu transportieren. Unsere Ergebnisse zeigen auch, dass Poloxamer 188 und Poloxamin 908 den antitumoralen Effekt von DOX-PBCA beträchtlich verbessern. Der anti-tumorale Effekt dieser Formulierungen könnte möglicherweise dem EPR-Effekt zugeschrieben werden. Es ist bekannt, dass die tumorale Arzneistoff-Aufnahme durch den EPR-Effektes für lang-zirkulierende Wirkstoffträger ausgeprägter ist und so mehr Wirkstoff durch die Tumor-geschädigte Blut-Hirn-Schranke gelangt. Unbeschichtete Nanopartikel, Polysorbat 80-beschichtete Nanopartikel oder mit Doxorubicin beladene und mit Polysorbat 80 beschichtete Nanopartikel wurden in gesunden und Tumor-tragenden Ratten injiziert. Diese Nanopartikel-Präparationen zeigten einer unterschiedliche Korpenverteilung in den Ratten. Unbeschichtete Nanopartikel sammelten sich in den RES-Organen an. Mit PS 80 beschichtete NP reduzierten die Aufnahme der NP in Leber und Milz, während sich die Konzentration der NP in der Lunge erhöhte. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Änderung der Oberflächeneigenschaften der NP durch das Tensid, zu einer Interaktion mit unterschiedlichen Opsoninen führt, welches die Aufnahme der NP von verschiedenen phagozitierenden Zellen erleichtert. Hingegen war die Aufnahme der mit DOX beladenen, PS 80-beschichteten Nanopartikel den unbeschichteten Partikel ähnlich. Im Vergleich mit gesunden Ratten und mit Tumor-tragenden Ratten hingegen war die Konzentration der NP im Gehirn von Tumor tragenden Ratten 10 Tage nach der Tumor-implantation signifikant höher. In Anwesenheit des Glioblastoms ist der Transport von NP in das Gehirn das Resultat verschiedener Faktoren: zusätzlich zur Fähigkeit von PS 80-Nanopartikeln, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren, extravasieren diese Träger wegen des EPR Effekts über das durch den Tumor undichte Endothelium. Die Konzentration von PS 80 [14C]-PBCA NP war im Glioblastom signifikant höher als mit DOX [14C]-PBCA NP. Dieses Phänomen kann durch die unterschiedliche Mikroumgebung von zerebralem intra-tumoralen und intaktem Gehirngewebe erklärt werde. Insbesondere können sich die positive Ladung der tumoralen Regionen und die positive Ladung der DOX [14C]-PBCA NP negativ beeinflussen. Dennoch waren die Doxorubicin-Konzentration in Glioblastom ausreichend, einen therapeutischen Effekt zu ermöglichen.
Auch nach 20 Jahren HIV-Forschung ist in absehbarer Zeit kein wirksamer Impfstoff in Sicht. Die weltweit steigenden Infektionszahlen zeigen, dass die Krankheit weiterhin eine der schlimmsten Epidemien der Menschheit bleiben wird, Umso mehr ist die Entwicklung eines potenten Impfstoffes nötig, um Neuinfektionen zu verhindern. Eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von HIV-1 Impfstoffen sind Patienten, die die Infektion auf natürliche Weise ohne antiretrovirale Therapie unter Kontrolle halten. Neben der zellvermittelten Immunantwort wird vermutet, dass auch die humorale Immunantwort einen entscheidenden Beitrag zum stabilen Immunstatus solcher HIV-Patienten leistet, Während der durchschnittliche HIV-Patient ohne Therapie innerhalb von meist 10 Jahren zum Vollbild AIDS progressiert, leben diese Patienten seit mehr als 15 Jahren mit der Infektion ohne Therapie und dem klinisch aurfälligen Krankheitsverlauf mit abfallender CD4-Zellzahl und steigender Viruslast im Blut, In dieser Arbeit werden solche Patienten, die auch long-term non-progressors (LTNPs) genannt werden, für eine detaillierte Analyse der humoralen Immunantwort mittels der Phage Display Methode herangezogen. Die verwendeten, auf Phagen exprimierten Peptide (Phagotope), haben unterschiedliche Länge und Konformation und sind als Fusion auf dem Phagenhüllprotein präsentiert. Pathogen-spezifische Phagen können durch Selektion mit Patientenseren isoliert werden. Die Phagenbanken wurden mit den Antikörpern der LTNP Patienten durchsucht, um HIV-1 spezifische Peptide zu isolieren, die Epitope protektiver Antikörper gegen HIV-1 repräsentieren. Diese isolierten Peptide ahmen demnach das natürliche Epitop eines Antikörpers nach, weshalb diese Phagotope auch Mimotope genannt werden. Das Ziel der Arbeit war die Isolierung protektiver HIV-1 Mimotope, die konservierte Bereiche von HIV nachahmen und, wenn als Immunogen eingesetzt, in der Lage sind, wiederum potent neutralisierende Antikörper zu induzieren. Für die Studie wurden insgesamt über 1400 selektierte Phagenklone auf ihre Spezifität hin untersucht, etwa 700 Phagenklone wurden sequenziert. Zur Identifikation konformeller Mimotope, die häufig in Verbindung mit neutralisierender Aktivität bei HIV zu finden sind, wurde eine spezielle Software (3DEX) entwickelt, die es ermöglicht, die isolierten Peptide potentiellen Regionen auf publizierten Proteinstrukturen zuzuordnen. Anhand dieses Programms wurden die selektierten Phagenpeptide analysiert und den HIV-1 Proteinen, vor allem aber dem Hüllprotein gpl20, zugeordnet. Interessante Mimotope wurden in Immunisierungsstudien getestet, wobei zur Etablierung des Immunisierungsprotokolls zunächst verschiedene Injektionswege getestet wurden. Aussichtsreiche Kandidaten, die funktionellen Domänen in gpl20 zugeordnet werden konnten, wurden als Phagengruppen in Mäuse injiziert, um ihre Fähigkeit zur Induktion neutralisierender Antikörper zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Studien zeigten, dass einige Mimotopgruppen in der Lage sind, neutralisierende Antikörper zu induzieren. Die Mausimmunseren konnten unterschiedliche HIV-1 Isolate in vitro zu neutralisieren, teilweise auch Subtyp- übergreifend. Die Arbeit zeigt somit die erfolgreiche Isolierung HIV-1 spezifischer Mimotope protektiver Antikörper aus LTNP Patienten, sowie die Verwendung dieser Mimotope als erfolgreiche Immunogene in Mäusen.