Fang Wu

• Insulin-like growth factor-I (IGF-I) is a 70-amino acid polypeptide with a molecular weight of approximately 7.6 kDa acting as an anabolic effector. It is essential for tissue growth and remodeling. Clinically, it is used for the treatment of growth disorders and has been proposed for various other applications including musculoskeletal diseases. Unlike insulin, IGF-I is complexed to at least six high-affinity binding proteins (IGFBPs) exerting homeostatic effects by modulating IGF-I availability to its receptor (IGF-IR) on most cells in theInsulin-like growth factor-I (IGF-I) is a 70-amino acid polypeptide with a molecular weight of approximately 7.6 kDa acting as an anabolic effector. It is essential for tissue growth and remodeling. Clinically, it is used for the treatment of growth disorders and has been proposed for various other applications including musculoskeletal diseases. Unlike insulin, IGF-I is complexed to at least six high-affinity binding proteins (IGFBPs) exerting homeostatic effects by modulating IGF-I availability to its receptor (IGF-IR) on most cells in the body as well as changing the distribution of the growth factor within the organism.1-3 Short half-lived IGF-I have been the driving forces for the design of localized IGF-I depot systems or protein modification with enhanced pharmacokinetic properties. In this thesis, we endeavor to present a versatile biologic into which galenical properties were engineered through chemical synthesis, e.g., by site-specific coupling of biomaterials or complex composites to IGF-I. For that, we redesigned the therapeutic via genetic codon expansion resulting in an alkyne introduced IGF-I, thereby becoming a substrate for biorthogonal click chemistries yielding a site-specific decoration. In this approach, an orthogonal pyrrolysine tRNA synthetase (PylRS)/tRNAPyl CUA pair was employed to direct the co-translational incorporation of an unnatural amino acid—¬propargyl-L-lysine (plk)—bearing a clickable alkyne functional handle into IGF-I in response to the amber stop codon (UAG) introduced into the defined position in the gene of interest. We summarized the systematic optimization of upstream and downstream process alike with the ultimate goal to increase the yield of plk modified IGF-I therapeutic, from the construction of gene fusions resulting in (i) Trx-plk-IGF-I fusion variants, (ii) naturally occurring pro-IGF-I protein (IGF-I + Ea peptide) (plk-IGF-I Ea), over the subsequent bacterial cultivation and protein extraction to the final chromatographic purification. The opportunities and hurdles of all of the above strategies were discussed. Evidence was provided that the wild-type IGF-I yields were pure by exploiting the advantages of the pHisTrx expression vector system in concert with a thrombin enzyme with its highly specific proteolytic digestion site and multiple-chromatography steps. The alkyne functionality was successfully introduced into IGF-I by amber codon suppression. The proper folding of plk-IGF-I Ea was assessed by WST-1 proliferation assay and the detection of phosphorylated AKT in MG-63 cell lysate. The purity of plk-IGF-I Ea was monitored with RP-HPLC and SDS-PAGE analysis. This work also showed site-specific coupling an alkyne in plk-IGF-I Ea by copper (I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) with potent activities in vitro. The site-specific immobilization of plk-IGF-I Ea to the model carrier (i.e., agarose beads) resulted in enhanced cell proliferation and adhesion surrounding the IGF-I-presenting particles. Cell proliferation and differentiation were enhanced in the accessibility of IGF-I decorated beads, reflecting the multivalence on cellular performance. Next, we aimed at effectively showing the disease environment by co-delivery of fibroblast growth factor 2 (FGF2) and IGF-I, deploying localized matrix metalloproteinases (MMPs) upregulation as a surrogate marker driving the response of the drug delivery system. For this purpose, we genetically engineered FGF2 variant containing an (S)-2-amino-6-(((2-azidoethoxy)carbonyl)amino)hexanoic acid incorporated at its N-terminus, followed by an MMPs-cleavable linker (PCL) and FGF2 sequence, thereby allowing site-directed, specific decoration of the resultant azide-PCL-FGF2 with the previously mentioned plk-IGF-I Ea to generate defined protein-protein conjugates with a PCL in between. The click reaction between plk-IGF-I Ea and azide-PCL-FGF2 was systematically optimized to increase the yield of IGF-FGF conjugates, including reaction temperature, incubation duration, the addition of anionic detergent, and different ratios of the participating biopharmaceutics. The challenge here was that CuAAC reaction components or conditions might oxidize free cysteines of azide-PCL-FGF2 and future work needs to present the extent of activity retention after conjugation. Furthermore, our study provides potential options for dual-labeling of IGF-I either by the introduction of unnatural amino acids within two distinct positions of the protein of interest for parallel “double-click” labeling of the resultant plk-IGF-I Ea-plk or by using a combination of enzymatic-catalyzed and CuAAC bioorthogonal coupling strategies for sequentially dual-labeling of plk-IGF-I Ea. In conclusion, genetic code expansion in combination with click-chemistry provides the fundament for novel IGF-I analogs allowing unprecedented site specificity for decoration. Considerable progress towards IGF-I based therapies with enhanced pharmacological properties was made by demonstrating the feasibility of the expression of plk incorporated IGF-I using E. coli and retained activity of unconjugated and conjugated IGF-I variant. Dual-labeling of IGF-I provides further insights into the functional requirements of IGF-I. Still, further investigation warrants to develop precise IGF-I therapy through unmatched temporal and spatial regulation of the pleiotropic IGF-I.…
• Insulin-like growth factor-I (IGF-I) ist ein 70 Aminosäuren langes Polypeptid mit einem Molekuargewicht von 7,5 kDa, dass als anaboler Effektor wirkt und dadurch eine essentielle Rolle in Gewebewachstum und -umbau spielt. Klinisch wird IGF-I für die Behandlung von Wachstumsstörungen verwendet und ist für weitere Anwendungen wie muskuloskelettale Erkrankungen von Interesse. Im Gegensatz zu Insulin wird IGF-I von mindestens sechs hochaffinen Bindungsproteinen (IGFBPs) komplexiert, die homöostatisch regulierend wirken, indem sie die VerfügbarkeitInsulin-like growth factor-I (IGF-I) ist ein 70 Aminosäuren langes Polypeptid mit einem Molekuargewicht von 7,5 kDa, dass als anaboler Effektor wirkt und dadurch eine essentielle Rolle in Gewebewachstum und -umbau spielt. Klinisch wird IGF-I für die Behandlung von Wachstumsstörungen verwendet und ist für weitere Anwendungen wie muskuloskelettale Erkrankungen von Interesse. Im Gegensatz zu Insulin wird IGF-I von mindestens sechs hochaffinen Bindungsproteinen (IGFBPs) komplexiert, die homöostatisch regulierend wirken, indem sie die Verfügbarkeit von IGF-I zu seinem Rezeptor (IGF-IR) auf vielen Zellen modulieren und ebenso die Verteilung des Wachstumsfaktors im Körper steuern. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit von IGF-I wurde die Entwicklung von lokalen IGF-I Depot-Systemen und von auf Proteinebene modifizierten IGF-I-Varianten mit verbesserten pharmakokinetischen Eigenschaften vorangetrieben. In der vorliegenden Arbeit sind wir bestrebt ein vielseitiges Biopharmazeutikum zu präsentieren, das hinsichtlich seiner galenischen Eigenschaften optimiert wurde, z. B. durch chemische Modifikation, wie ortsspezifische Kopplung von IGF-I an Biomaterialien oder komplexe Verbundstoffe. Für diesen Zweck wurde das Therapeutikum neu entworfen und über die Erweiterung des genetischen Codes eine Alkin-Funktionalität eingefügt. Durch dieses Alkin wird IGF-I zugänglich für die Modifizierung mit bio-orthogonaler, ortsspezifischer „Click-Chemie“. In diesem Ansatz wird ein orthogonales Pyrrolysin tRNA-Synthase (PylRS)/tRNAPyl-CUA – Paar verwendet, um den co-translationalen Einbau einer unnatürlichen Aminosäure — Propargyl-L-lysine (Plk) —, die eine Alkin-Funktionalität für Click-Reaktionen enthält, an Stelle des Amber-Stop-Codons (UAG) im entsprechenden Gen, im IGF-I-Protein zu gewährleisten. Die systematische Optimierung von Up- und Downstream-Prozessen, mit dem Ziel die Ausbeute von Plk-modifiziertem IGF-I-Biopharmazeutikum zu erhöhen, wurden zusammengefasst: von der Konstruktion von Genfusionen, die in (i) einer Trx-plk-IGF-I Fusionsvariant und (ii) natürlich vorkommendem pro-IGF-I Protein (IGF-I + Ea peptide) (Plk-IGF-I Ea) resultierten, über die folgende Expression in Bakterien und Proteinextraktion, bis hin zur finalen chromatographischen Reinigung des Biopharmazeutikums. Die Möglichkeiten und Schwierigkeiten aller oben genannten Strategien wurden diskutiert. Es wurde gezeigt, dass die Wildtyp-IGF-I-Ausbeuten durch den Einsatz des vorteilhaften pHisTrx-Expressionsvektor-Systems zusammen mit dem Enzym Thrombin und seiner hochspezifischen proteolytischen Spaltstelle und mehrfacher chromatographischer Aufreinigung einen hohen Reinheitsgrad aufwiesen. Die Alkin-Funktionalität wurde erfolgreich durch Unterdrückung des Amber-Codons in IGF-I eingeführt. Die richtige Faltung von Plk-IGF-I Ea wurde durch den WST-1 Proliferationsassay und den Nachweis von phosphorylierten Akt in MG-63-Zelllysat nachgewiesen. Die Reinheit von Plk-IGF-I Ea wurde durch RP-HPLC- und SDS-PAGE-Analyse überwacht. In dieser Arbeit konnte auch gezeigt werden, dass die ortspezifische Kopplung von Alkinen an Plk-IGF-I Ea durch Kupfer(I)-katalysierte Azid-Alkin Zykloaddition (CuAAC) in einem Produkt mit hoher in vitro Aktivität resultiert. Die ortspezifische Immobilisierung von Plk-IGF-I Ea an einem Modell-Trägersystem (hier: Agarosepartikel) führte zu einer verbesserten Zellproliferation und Zelladhäsion in der Umgebung der IGF-I-präsentierenden Partikel. Der vielfältige Einfluss von IGF-I auf Zellen wird durch die verbesserte Zellproliferation und -differenzierung durch die Verfügbarkeit von IGF-I präsentierenden Partikeln widergespiegelt. Als Nächstes setzten wir uns zum Ziel den Krankheitseinfluss durch die gleichzeitige Anwendung von Fibroblast-Wachstumsfaktor 2 (FGF2) und IGF-I zu zeigen, indem wir uns der lokalen Hochregulierung von Matrixmetalloproteinasen (MMPS) als Surrogat-Krankheitsmarker bedienten, der die Antwort des Drug Delivery-Systems auslöst. Zu diesem Zweck wurde eine FGF2-Variante genetisch modifiziert, sodass sie am N-Terminus eine (S)-2-amino-6-(((2-azidoethoxy)carbonyl)amino)Hexansäure trägt - gefolgt von einen durch MMPs spaltbaren Verbindungsstück (PCL) und der FGF2 Sequenz - und dadurch die gezielte, spezifische Konjugation des resultierenden Azid-PCL-FGF2 mit dem vorher erwähnten Plk-IGF-I Ea ermöglicht, um definierte Protein-Protein-Konjugate, die mit einem PCL verbunden sind, zu erzeugen. Die Click-Reaktion zwischen Plk-IGF-I Ea und Azid-PCL-FGF2 wurde zur Erhöhung der IGF-FGF Ausbeute systematisch optimiert, indem die Parameter Temperatur, Inkubationsdauer, Zugabe von anionischem Tensid und verschiedene Eduktverhältnisse untersucht wurden. Es gilt zu bedenken, dass die in der CuAAC Reaktion eingesetzten Komponenten oder Reaktionsbedingungen freie Cysteinreste von Azid-PCL-FGF2 oxidieren können und es in Zukunft gilt, die verbleibende Aktivität nach Proteinkonjugation zu bestimmen. Des Weiteren zeigen unsere Untersuchungen potentielle Möglichkeiten für duale Konjugation von IGF-I entweder durch die Einführung einer unnatürlichen Aminosäure an zwei verschiedenen Positionen innerhalb des Proteins (Plk-IGF-I Ea-Plk) für parallele „Doppel-Click“-Konjugation oder durch die Kombination bioorthogonaler Kopplungsreaktionen - einer enzymkatalysierten Reaktion und CuAAC - für sequentielles duales Verknüpfen von Plk-IGF-I Ea. Schlussendlich stellt die Erweiterung des genetischen Codes in Kombination mit Click-Chemie eine Grundlage für neue IGF-I-Analoga dar, die eine noch nie dagewesene Ortsspezifität für Konjugationen besitzen. Ein entscheidender Fortschritt hin zu IGF-I basierten Therapeutika mit verbesserten pharmakologischen Eigenschaften wurde durch die Expression, Reinigung und Konjugation von bioaktivem IGF-I mit Plk sowie konjugierten IGF-I Varianten erreicht. Duales Modifizieren von IGF-I erlaubt weitere Einblicke in die funktionalen Anforderungen an IGF-I. Dennoch sind weitere Untersuchungen nötig, um eine gezielte IGF-I Therapie trotz der unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Regulierung des pleiotropen IGF-I zu ermöglichen.…