Dokument: Quantitative characterization of amyloid-beta interaction with artificial compounds designed for Alzheimer´s disease therapy

Titel:	Quantitative characterization of amyloid-beta interaction with artificial compounds designed for Alzheimer´s disease therapy
Weiterer Titel:	Quantitative Charakterisierung der Amyloid-beta-Interaktion mit artifiziellen Wirkstoffen entwickelt für die Alzheimer-Therapie
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44945
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20190212-105414-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ziehm, Tamar [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 59,68 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.02.2018 / geändert 19.02.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter] Jun.-Prof. Büll, Alexander [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The overall risk for any individual of developing dementia is approximately 10 to 12 %. The most common type of dementia, Alzheimer´s disease (AD), is number 6 of the top 10 leading causes of deaths in the United States and the only one which cannot be prevented, retarded or cured. Therefore, alternative approaches are demanded for the development of AD therapy. Based on the amyloid cascade hypothesis, the aggregation of amyloid-beta (Aβ) has been manifested as the major hallmark of AD. We hypothesize that stabilization of Aβ monomers in its intrinsically disordered protein (IDP) like conformation will sequester them from the aggregation cascade and simultaneously eliminate pre-formed cytotoxic Aβ oligomers. To validate and confirm this strategy, the lead compound D3, a peptide consisting of twelve D-enantiomeric amino acid residues, was selected by mirror image phage display with monomeric Aβ(1-42) as target and intensively characterized in vitro and in vivo regarding its efficacy as a potential therapeutic agent for AD. Pre-clinical results approved that D3 as a D-peptide is characterized by a high oral bioavailability and long plasma half-lives due to increased metabolic stability as compared to the L-enantiomer. Additionally, a free fraction of 8 % was determined in plasma for D3 which is mainly attributed to low binding affinity to human serum albumin. Additionally, the lead compound D3 was optimized regarding its efficacy and potency for AD therapy. Two different strategies were applied which were either rational or systematic yielding several D3 derivatives. We found out that increased net charge, cyclization and design of multivalent derivatives are suitable modifications to further increase the potency of D3. Those strategies yielded up to 75-fold increased affinity to Aβ which was linked to increased oligomer elimination efficacy and subsequent rescue of cytotoxicity. Furthermore, peptide microarrays turned out to be a powerful tool for systematic compound optimization. Derivatives derived from those were especially characterized by increased potency. Thus, two compounds were investigated in detail regarding their interaction with Aβ in order to gain a clearer understanding of the molecular mechanism. Kinetics, stoichiometry and epitopes were studied using surface plasmon resonance (SPR). The results suggest an additional contribution of hydrophobic interactions to Aβ in the case of the optimized compounds in comparison to the mostly electrostatic Aβ interaction of the lead compound. These findings were supported by thermodynamic profiles of complex formation which indicated an increase in entropy for the interaction between optimized compounds and Aβ monomers. Recently, N-terminally modified pEAβ is getting more and more in focus due to its high prevalence in senile plaques of AD patients and increased aggregation propensity as compared to full-length Aβ. To further study the suitability for AD therapy involving this aggressive isoform of Aβ, the effects of D3 and its tandem version D3D3 on pEAβ were analyzed. Quantitative affinity determinations revealed a high cross-reactivity of the compounds for pEAβ and thus, D3D3 was able to rescue pEAβ-derived cytotoxicity. Based on the present work, we could extent the knowledge of the molecular mechanism of interaction between Aβ and D3 and its derivatives. Lead optimization strategies were established and validated in vitro and in vivo. From a scientific point of view, promising candidates were developed and merit further pre-clinical investigations. Das Risiko eines Jeden von uns an einer Demenz zu erkranken, beträgt ca. 10 bis 12 %. Die üblichste Art der Demenz, die Alzheimer-Demenz (AD), ist auf Platz 6 der zehn häufigsten Todesursachen in den Vereinigten Staaten von Amerika und die einzige, die nicht vorgebeugt, aufgehalten oder geheilt werden kann. Daher herrscht eine große Nachfrage nach alternativen Ansätzen um eine Therapie für die AD zu entwickeln. Basierend auf der Amyloid-Kaskaden-Hypothese hat sich die Aggregation von Amyloid-beta (Aβ) als der wahrscheinlichste Auslöser der AD manifestiert. Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass die Stabilisierung von Monomeren in ihrer IDP-ähnlichen Konformation diese von der Aggregation abhält und gleichzeitigt schon gebildete zytotoxische Aβ-Oligomere eliminiert. Um diese Strategie zu validieren und bestätigen, haben wir den Leitwirkstoff D3, ein Peptid bestehend aus D-enantiomeren Aminosäuren, mittels Spiegelbild-Phagen-Display mit monomerem Aβ(1-42) selektiert und intensiv in vitro und in vivo hinsichtlich seiner Wirksamkeit als potentielles Medikament für die AD charakterisiert. Präklinische Ergebnisse bestätigten, dass D3 als ein D-Peptid von hoher oraler Bioverfügbarkeit und langer Halbwertszeit im Plasma als eine Folge von gesteigerter metabolischer Stabilität im Vergleich zu dem L-Enantiomer gekennzeichnet ist. Weiterhin wurde eine freie Fraktion von 8 % im Plasma für D3 bestimmt, was hauptsächlich der geringen Affinität zu humanem Serumalbumin zugeschrieben werden kann. Zusätzlich wurde der Leitwirkstoff D3 hinsichtlich seiner Wirksamkeit für die Behandlung von der AD optimiert. Dabei wurden zwei verschiedene Strategie angewendet, welche entweder rational oder systematisch waren, und verschiedene D3-Derivate ergaben. Wir haben herausgefunden, dass die Erhöhung der Nettoladung, Zyklisierung und das Entwerfen von multivalenten Derivaten geeignete Modifikationen sind um die Wirksamkeit von D3 weiter zu erhöhen. Diese Strategien ergaben eine bis zu 75-fach erhöhte Affinität für Aβ, welche an erhöhte Effizienz für Oligomer-Eliminierung und anschließende Aufhebung der Zytotoxizität gekoppelt war. Weiterhin haben sich Peptid-Mikroarrays als ein wirksames Instrument für systematische Wirkstoff-Optimierung herausgestellt. Die Derivate, die davon abgeleitet wurden, waren besonders von gesteigerter Wirksamkeit gekennzeichnet. Deswegen wurden zwei Wirkstoffe detailliert hinsichtlich ihrer Interaktion mit Aβ untersucht, um ein klareres Verständnis von dem molekularen Mechanismus zu bekommen. Kinetik, Stöchiometrie und Epitope wurden mittels Oberflächenplasmonen-resonanz untersucht. Die Ergebnisse lassen für die optimierten Wirkstoffe einen zusätzlichen Anteil von hydrophoben Wechselwirkungen vermuten im Vergleich zu dem hauptsächlich elektrostatisch-getriebenen Leitwirkstoff. Dies wurde von dem thermodynamischen Profil der Komplex-Bildung unterstütz, welches einen Anstieg der Entropie für die Interaktion zwischen optimierten Wirkstoffen und Aβ-Monomeren zeigt. Kürzlich ist das N-terminal modifizierte pEAβ aufgrund seines hohen Vorkommens in senilen Plaques von AD-Patienten und gesteigerte Aggregations-Tendenz im Vergleich zum Volllängen-Aβ mehr und mehr in den Fokus gerückt. Um die Eignung für die Behandlung der AD zu testen, wo diese aggressive Aβ-Isoform involviert ist, wurden die Effekte von D3 und dem Tandem-Derivat D3D3 auf pEAβ getestet. Quantitative Affinitäts-Bestimmungen offenbarten eine hohe Kreuzreaktivität der Wirkstoffe für pEAβ und folglich war D3D3 in der Lage, pEAβ-induzierte Zytotoxizität aufzuheben. Basierend auf der vorliegenden Arbeit konnten wir das Wissen über den molekularen Interaktions-Mechanismus zwischen Aβ und D3 und seinen Derivaten erweitern. Es wurden Optimierungsstrategien des Leitwirkstoffes etabliert und in vitro sowie in vivo validiert. Von der wissenschaftlichen Sichtweise aus wurden vielversprechende Kandidaten entwickelt, für welche weitere präklinische Untersuchungen lohnenswert sind.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	12.02.2019
Dateien geändert am:	12.02.2019
Promotionsantrag am:	03.04.2017
Datum der Promotion:	09.05.2017