Synthese von selektiv Protease-spaltbaren Nanopartikeln

Diese Arbeit legt, im Rahmen eines interdisziplinären BMBF Projekts, die Grundlage für eine neue, potentielle Früherkennungsmethode für Prostatakrebs. Ausgehend von der Idee, einen sensitiv detektierbaren Farbstoff in selektiv, Hepsin-spaltbare Kapseln einzubringen, wurde ein Modellsystem erarbeitet. Als Zielsubstrat für das Enzym Hepsin wurde die Sequenz RQLRVVGG identifiziert. Basierend auf dem hier entwickelten Modell, könnte in Zukunft eine Detektion von Hepsin und damit von Prostatakrebs im Frühstadium in vivo erfolgen. rnUm das Konzept der Enzymspaltbarkeit zu zeigen,wurden, basierend auf einem Modell,enzymatisch-spaltbare, polymere Nanopartikeldargestellt. In dieser Arbeit konnte die Synthese von vier Generationen spezifisch Protease-spaltbarer, hydrophober Nanopartikel gezeigt werden. Die Enzyme Pepsin und Trypsin, die selektiv die Peptidsequenz GFF spalten, wurden als Modellenzyme für das im Prostatakarzinom überexprimierte Hepsin eingesetzt. rnrnAls Ausgangspolymer diente Poly(styrol-co-acrylsäure), das in freier, radikalischer Polymerisation hergestellt und mit Molekulargewichten zwischen 8500 und 49400 g/mol erhalten wurde. Der Funktionalisierungsgrad wurde zwischen 5 und 16%-Gew. variiert. Die Charakterisierung erfolgte mittels GPC und NMR-Spektroskopie. In einer polymeranalogen Reaktion wurden die Säurefunktionen zu Aminogruppen umgesetzt. Die resultierendenPolymere wurden unter Einsatz der über Jahrzehnte entwickelten, effektiven Peptidkupplungschemie mit enzymspaltbarenPeptiden gekuppelt, um dadurch definierte Peptid-Polymer-Konjugate zu erhalten.Als enzymatisch spaltbarer Teil des Konjugats, wurden mithilfe der Festphasenpeptidsynthese (SPPS),FRET(Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer)-markiertePeptide synthetisiert, die auf der Trypsin-spaltbaren Sequenz GFF basierten. Zum Nachweis der Vernetzung der späteren Nanopartikel, wurde zusätzlich einern15N-markierte Aminosäure (Fmoc-(15N)-Glycin) am N-Terminus der Peptide eingebaut, um die Reaktion des Amins zu einem Amid verfolgen zu können.Die Charakterisierung der Peptide erfolgte mittels1H-, 13C-NMR-Spektroskopie, MALDI TOF-MS und HPLC. Aus den Polymeren und dem Peptid wurden Peptid-Polymer-Konjugate hergestellt und die erfolgreiche Anbindung mittels DOSY-NMR-Spektroskopie und HPLC nachgewiesen. Aus den Konjugaten konnten im nächsten Schritt, durch Anwendung des inversen Miniemulsionsprozesses, Nanopartikel formuliertund diese in wässriges Milieu überführt werden. Die Dispersionen konnten mittels PCCS, REM und Zetapotentialmessungen charakterisiert werden, wobei Partikeldurchmesser um 230 nm resultierten. Der Nachweis der Vernetzung des Polymers in den Partikeln konnte durch die Reaktion desrn15N-Amins zu einem 15N-Amid mittels 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie nachverfolgt werden. Abschließend konnten die Partikel durch Trypsin gespalten werden, was durch das eingebaute FRET-Paar über eine in situ Detektion der relativen Fluoreszenz erfolgte. rnIn dieser Arbeit konnten Peptid-vernetzte, Polystyrol basierte Nanopartikel hergestellt und in Heterophase von Trypsin gespalten werden.rn

Specific enzymatic cleavage and payload release from peptide-based hybrid nanocapsules

Within this thesis, new approaches for the concepts of peptide-polymer conjugates and peptide-based hybrid nanomaterials are investigated. In the first part, the synthesis of a triblock polymer-peptide-polymer is carried out following a typical peptide coupling reaction, both in solution and on solid-phase. The peptide sequence is chosen, so that it is cleaved by an enzyme preparation of trypsin. End-functionalized polystyrene is used as a model hydrophobic polymer and coupled to the peptide sequence. The results show successful coupling reactions in both methods, while the solid phase method produced a more defined product. Suspensions, consisting of peptide-polymer conjugates particles, are prepared in water by ultrasonication. In contact with the enzyme, the peptide constituting the conjugated particles is cleaved. This demonstrates the enzymatic cleavage in heterophase of enzymatic sequence bond to hydrophobic polymers, and is of great interest for the encapsulation and delivery of hydrophobic molecules.rnA second approach is the preparation of peptide-based hybrid nanocapsules. This is achieved by interfacial polyaddition in inverse miniemulsion with the peptide sequence functionalized with additional amino acids. A method suitable to the use of a peptide sequence for interfacial polyaddition was developed. It is shown that, the polarity of the dispersed phase influences the structures prepared, from particle-like to polymeric shell with a liquid core.rnThe peptide sequence is equipped with a FRET pair (more exactly, an internally-quenched fluorescent system) which allows the real-time monitoring of the enzymatic cleavage of the recognition site. This system shows the successful cleavage of the peptide-based nanocapsules when trypsin preparation is added to the suspensions. A water-soluble fluorescent polymer is efficiently entrapped and its possible use as marker for the capsules is highlighted. Furthermore, a small water-soluble fluorescent dye (SR-101) is successfully encapsulated and the encapsulation efficiency as a function of the functionality of the peptide and the amount of comonomer equivalent (toluene diisocyanate) is studied. The dye is encapsulated at such a high concentration, that self-quenching occurs. Thus, the release of the encapsulated dye triggered by the enzymatic cleavage of the peptide results in a fluorescence recovery of the dye. The fluorescence recovery of the FRET pair in the peptide and of the encapsulated dye correlate well.rnFinally, nanocapsules based on a hepsin-cleavable peptide sequence are prepared. Hepsin is an enzyme, which is highly upregulated in prostate cancer cells. The cleavage of the nanocapsules is investigated with healthy and “cancerous” (hepsin-expressing) cell cultures. The degradation, followed via fluorescence recovery of the FRET system, is faster for the suspensions introduced in the hepsin expressing cell cultures.rnIn summary, this work tackles the domain of responsive nanomaterials for drug delivery from a new perspective. It presents the adaptation of the miniemulsion process for hybrid peptide-based materials, and their successful use in preparing specific enzyme-responsive nanoparticles, with hydrophilic payload release properties.rn

Die Isolierung und Aufreinigung der Metalloendopeptidase LysN und die Evaluierung der Spezifität der LysN E157D-Mutante und ihr Einsatz in der Proteomik und die Mechanismen der Bildung von “dendritic cell aggresome- like induced structures“ (DALIS)

Der proteolytische Verdau von Proteinen in Peptide ist ein wichtiger Schritt in der Tandem-Massenspektrometrie. Dabei werden Peptide fragmentiert und die sich ergebenden Fragmentionen geben Aufschluss über die Aminosäuresequenz des zu untersuchenden Proteins. Dabei sind für die Fragmentierung sowohl Länge und Sequenz, als auch der Ladungszustand des Peptids ungemein wichtig. Diese Parameter bedingen sich durch Endoproteasen, die für den proteolytischen Verdau eingesetzt werden. Eine Voraussetzung hierfür ist die Spezifität der Protease. Trypsin ist bei weitem die gebräuchlichste Protease zur massenspektrometrischen Probenvorbereitung. Allerdings bietet Trypsin keine Komplettlösung. Je nach Fragestellung und Applikation müssen weitere Proteasen eingesetzt werden, um eine komplette Sequenzabdeckung zu gewährleisten und möglichst alle posttranslationalen Modifikationen nachzuweisen, oder bestimmte Proteomklassen (z.B Phosphoproteom

Proteomics-driven approach for the detection of breast cancer biomarkers

Breast cancer (BC) is the most often diagnosed cancer entity of women worldwide. No molecular biomarkers are usable in the clinical routine for the early detection of BC. Proteomics is one of the dynamic tools for the successful examination of changes on the protein level. In this thesis different proteomics-based investigations were performed for the detection of protein and autoantibody biomarkers in serum samples of BC and healthy (CTRL) subjects. First, protein levels of candidates from previous profiling studies were investigated via antibody-microarray platform. Three proteins were found in distinct levels in both groups: secretoglobin family 1D member 1, alpha-2 macroglobulin and inter-alpha-trypsin inhibitor heavy chain family member 4. The second part was dedicated to the de novo exploration of potentially immunogenic tumor antigens (TA’s) with immunoprecipitation and Western immunoblotting followed by identification over mass spectrometry. Autoantibody levels were verified in individual serum profiling via the protein microarray platform. Two autoantibody’ cohorts (anti-Histone 2B and anti-Recoverin) were found in different levels in both groups. The findings of this PhD thesis underline deregulated serum protein and autoantibody levels in the presence of BC. Further investigations are needed to confirm the results in an independent study population.

Funktionelle und strukturelle Charakterisierung des Ovastacins in vivo und in vitro

Die Metalloprotease Ovastacin, ein Vertreter der Astacin-Familie, wurde erstmals 2004 beschrieben. Im Ovar von Säugetieren ist Ovastacin-mRNA im Zeitfenster vom Stadium der Sekundärfollikel bis kurz nach der Befruchtung der Eizelle zu finden. Der Expressionsort und -zeitpunkt sowie die Sequenzähnlichkeit von über 60% mit sogenannten „Schlüpfenzymen“ (engl. hatching enzymes), die man in den Eizellen und Zygoten niederer Wirbeltiere und Wirbelloser gefunden hatte, ließen die Vermutung aufkommen, es könnte sich hier um das Säugerhomolog dieser Proteasen handeln. Generell lösen hatching Enzyme die derben embryonalen Hüllstrukturen (bei Säugern die Zona pellucida, ZP) beim Schlüpfvorgang auf. Die essentielle Bedeutung des Ovastacins für die Befruchtung wird durch die um ca. 30% reduzierte Fruchtbarkeit von Ovastacin defizienten Mäusen belegt. Hochinteressant war in diesem Zusammenhang die Entdeckung des Ovastacins in den Cortikalgranula der Oocyten sowie seine Fähigkeit, das Zona pellucida Protein 2 zu schneiden. Die dadurch bewirkte Verhärtung der Zona pellucida verhindert das Eindringen weiterer Spermien, das heißt sie baut eine Barriere gegen Polyspermie auf. Ziel dieser Arbeit war es, Belege für die physiologische Funktion des Ovastacins zu finden. Vor allem galt es, potentielle Aktivatoren zu identifizieren, da das Enzym wie alle Astacine als inaktive Vorstufe gebildet wird, die proteolytisch aktiviert werden muss. Zu diesem Zweck exprimierte ich rekombinantes Pro-Ovastacin in Insektenzellen. Aktivierungsstudien in vitro zeigten, dass ein saures Milieu zu einer Aktivierung führt, ohne die Abspaltung des Propeptids zu bewirken. Sequenzalignments und ein homologes Strukturmodell des Ovastacins wiesen auf Trypsin- oder Elastase-ähnliche Serinproteasen als potentielle Aktivierungsenzyme hin. Tatsächlich konnte mit diesen beiden Proteasetypen zum ersten Mal aktives Ovastacin aus Pro-Ovastacin erzeugt werden. Trypsin kommt als physiologischer Aktivator allerdings nicht in Betracht, da es bisher in keinem der Gewebe nachgewiesen werden konnte, in dem Ovastacin exprimiert wird. Die neutrophile Elastase dagegen konnte in der Leber, im Herz sowie im Blutplasma nachgewiesen werden. Mit Hilfe spezifischer Antikörper konnte das Herz als Expressionsort für Ovastacin bestätigt werden. Somit wäre Elastase ein potentieller physiologischer Aktivator von Ovastacin. Die Identifikation des Ovastacins in Geweben wie Leber, Herz, Nabelschnur und im Blutplasma weist auf eine Rolle der Protease in proteolytischen Netzwerken außerhalb der Spermien-Ei-Interaktion hin. Die Bedeutung der biologischen Kontrolle des Ovastacins bei der Befruchtung der Säugereizelle wird durch die Beobachtung untermauert, dass das Leberprotein Fetuin B als physiologischer Ovastacininhibitor fungiert und dadurch eine vorzeitige Verhärtung der Zona pellucida verhindert, die andernfalls die Penetration von Spermien prinzipiell verhindern würde.

Synthese, Charakterisierung und Testung von Phenylacrylsäure-Derivaten, Benzothiazolen und Diarylthioethern als potentielle Inhibitoren der Dengue-Virus-Typ-2-NS2B-NS3-Protease

Dengue-Fieber ist eine durch Stechmücken der Gattungen Aedes aegypti und Aedes albopticus übertragene, virale Infektionskrankheit des Menschen, welche eine zunehmende Bedrohung für die Weltbevölkerung darstellt; das Infektionsrisiko betrifft vorwiegend Menschen, die in tropischen und subtropischen Gebieten der Erde (Asien, Afrika, Amerika) leben. Bei dem Erreger handelt es sich um ein Flavivirus, bestehend aus einer positiv polarisierten Einzelstrang-RNA, welches in vier verschiedenen Serotypen existiert. Eine Infektion mit Dengue-Viren zeigt sich durch drei mögliche Krankheitsbilder: Klassisches Dengue-Fieber (DF), hämorrhagisches Dengue-Fieber (DHF) oder Dengue-Schock-Syndrom (DSS). Das Dengue-Virus-Genom codiert eine Serin-Protease mit einer klassischen katalytischen Triade, bestehend aus den Aminosäuren His51, Asp75 und Ser135. Die Funktion der Dengue-Virus-Protease besteht in der post-translationalen, proteolytischen Prozessierung des viralen Polyprotein-Vorläufers, womit sie essentiell für die Virus-Replikation ist und damit einen wichtigen therapeutischen Ansatz für die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Dengue-Fieber darstellt. Die Ziele der vorliegenden Arbeit bestanden darin, neue potentielle Inhibitoren der Dengue-Virus Typ 2 NS2B-NS3 Protease (DEN-2 NS2B-NS3pro) zu synthetisieren, deren Hemmwirkung sowie den Inhibitionstyp mithilfe fluorimetrischer Enzym-Assays zu bestimmen, Struktur-Wirkungs-Beziehungen (u.a. mithilfe von Molecular Docking-Rechnungen) zu analysieren und die erhaltenen Leitstrukturen zu optimieren. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Substanzklassen und damit zwei Teilprojekte behandelt: Phenylacrylsäureamide im ersten Teilprojekt, Benzothiazole und Diarylthioether zusammen im zweiten Teilprojekt. Im ersten Teilprojekt zeigten einige Phenylacrylsäureamide eine schwache Hemmung der DEN-2 NS2B-NS3pro zwischen ca. 50 und 61 % bei einer Inhibitorkonzentration von 50 µM sowie eine nicht-kompetitive Hemmung, welche jedoch durch vielfältige Derivatisierung kaum verändert oder verbessert werden konnte. Darüber hinaus wurden die endogenen Serin-Proteasen alpha-Chymotrypsin und Trypsin durch einige Phenylacrylsäureamide erheblich stärker gehemmt als die DEN-2 NS2B-NS3pro. Das zweite Teilprojekt befasste sich mit der Synthese und Testung von Diarylthioethern mit hydroxy-substituierten Benzothiazol-Bausteinen sowie der Testung einiger methoxy-substituierter Synthese-Vorstufen der Endverbindungen, um die Relevanz und den Einfluss der einzelnen Bausteine auf die Hemmung der DEN-2 NS2B-NS3pro zu untersuchen. Der in der vorliegenden Arbeit synthetisierte, potenteste Inhibitor der DEN-2 NS2B-NS3pro (Hemmung: 90 % [50 µM]; IC50 = 3.6 +/- 0.11 µM) und der DEN-3 NS2B-NS3pro (Hemmung: >99 % [100 µM]; IC50 = 9.1 +/- 1.02 µM), SH65, ein Diarylthioether-Benzothiazol-Derivat, entstand aufgrund der Vorhersage zweier möglicher Bindungsmodi (kompetitiv und nicht-kompetitiv) mithilfe von Molecular Docking-Experimenten an der Röntgen-Kristall-struktur der DEN-3 NS2B-NS3pro (PDB-Code: 3U1I). Nach experimenteller Bestimmung der IC50-Werte bei unterschiedlichen Substratkonzentrationen erwies sich SH65 jedoch als nicht-kompetitiver Inhibitor der DEN-2 NS2B-NS3pro. Trypsin wurde von SH65 vergleichbar stark gehemmt (96% [50 µM]; IC50 = 6.27 +/- 0.68 µM) wie die beiden getesteten Dengue-Virus-Proteasen, nicht jedoch alpha-Chymotrypsin (nur 21% Hemmung bei 50 µM), wodurch diesem Inhibitor zumindest eine relative Selektivität gegenüber Serin-Proteasen zugeschrieben werden kann. SH65 zeigte lediglich Protease-Hemmung in den Enzym-Assays, jedoch keine antivirale Aktivität bei der Testung an Dengue-Virus-infizierten Zellen, was aber wiederum bei der synthetisierten Vorstufe von SH65, welche anstelle der beiden Hydroxy-Gruppen über Methoxy-Gruppen verfügt, der Fall war. Diarylthioether mit mehrfach hydroxy-substituiertem Benzothiazol-Baustein stellen hiermit eine neue, vielversprechende Wirkstoffgruppe zur Hemmung sowohl der Dengue-Virus Typ 2- als auch der Dengue-Virus Typ 3 NS2B-NS3 Protease dar.

Prozessierung des humanen GARP–Rezeptors und die physiologischen Auswirkungen

GARP (Glycoprotein A Repetitions Predominant) ist ein Oberflächenrezeptor auf regulatorischen T–Zellen (TRegs), der den latenten TGF–β (Transforming Growth Factor–β) bindet. Ein Funktionsverlust von T Regs hat gravierende Autoimmunerkrankungen wie das Immunodysregulation Polyendocrinopathy Enteropathy X–linked Syndrome (IPEX), Multiple Sklerose (MS) oder Rheumatoide Arthritis (RA) zur Folge. GARP stellt über eine Erhöhung der Aktivierbarkeit von TGF–β den regulatorischen Phänotyp von TRegs sicher und inhibiert die Ausbreitung von autoreaktiven TH17 Zellen.rn In dieser Arbeit stand die Regulation von GARP selbst im Mittelpunkt. Es konnte gezeigt werden, dass es sich innerhalb der kiefertragenden Vertebraten um ein strikt konserviertes Protein handelt. Datenbankanalysen machten deutlich, dass es zuerst in basalen Knochenfischen zusammen mit anderen Komponenten der adaptiven Immunantwort auftritt. Ein 3D–Modell, welches über Homologiemodellierung erstellt wurde, gab Aufschluss über die Struktur des Rezeptors und mögliche intramolekulare Disulfidbrücken. Für in vitro Versuche wurde eine lösliche Variante von GARP durch einen Austausch der Transmembrandomäne durch C–terminale Meprin α Domänen konstruiert. Diese Variante wurde in der eukaryotischen Zellkultur zuverlässig in den Überstand sezerniert und konnte chromatografisch gereinigt werden. Mit diesem rekombinanten GARP wurden Prozessierungsversuche mit Autoimmunpathogenese assoziierten Proteasen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Serinproteasen Trypsin, Neutrophile Elastase und Plasmin, sowie die Metalloprotease MMP2 in der Lage sind, GARP vollständig zu degradieren. In TGF–β sensitiven Proliferationsuntersuchungen stellte sich heraus, dass die entstandenen Fragmente immer noch in der Lage waren die Aktivierbarkeit von TGF–β zu erhöhen. Neben der Degradierung durch die oben genannten Proteasen konnte ebenfalls beobachtet werden, dass MMP9 und Ovastacin in der Lage sind GARP spezifisch zu schneiden. Ovastacin mRNA wurde in dieser Arbeit das erste Mal außerhalb der Oocyte, in T–Zellen beschrieben. Mit GARP wurde zudem das zweite Proteinsubstrat, neben dem Zona Pellucida Protein 2 identifiziert. Das durch MMP9 erzeugte N–terminale Fragment besitzt zwar die Eigenschaft, an TGF–β zu binden, kann aber die Aktivierbarkeit von TGF–β nicht mehr wie das intakte GARP erleichtern. rnDiese Arbeit zeigte, dass GARP durch Proteolyse reguliert wird, wobei die entstehenden Fragmente unterschiedlichen Einfluss auf die Aktivierbarkeit von TGF–β haben. Dieses Wissen bildet die Grundlage für weitere Untersuchungen im translationalen Forschungsbereich, um die gewonnenen Erkenntnisse zur Immunmodulation in der Therapie verschiedener Krankheiten einsetzen zu können.rn

Fetuin-A and cystatin C are endogenous inhibitors of human meprin metalloproteases

Meprin and , zinc metalloproteinases, play significant roles in inflammation, including inflammatory bowel disease (IBD), possibly by activating cytokines, like interleukin 1 , interleukin 18, or tumor growth factor . Although a number of potential activators for meprins are known, no endogenous inhibitors have been identified. In this work, we analyzed the inhibitory potential of human plasma and identified bovine fetuin-A as an endogenous meprin inhibitor with a K(i) (inhibition constant) of 4.2 × 10(-5) M for meprin and a K(i) of 1.1 × 10(-6) M meprin . This correlated with data obtained for a fetuin-A homologue from carp (nephrosin inhibitor) that revealed a potent meprin and inhibition (residual activities of 27 and 22%, respectively) at a carp fetuin concentration of 1.5 × 10(-6) M. Human fetuin-A is a negative acute phase protein involved in inflammatory diseases, thus being a potential physiological regulator of meprin activity. We report kinetic studies of fetuin-A with the proteolytic enzymes astacin, LAST, LAST_MAM, trypsin, and chymotrypsin, indeed demonstrating that fetuin-A is a broad-range protease inhibitor. Fetuin-A inhibition of meprin activity was 40 times weaker than that of meprin activity. Therefore, we tested cystatin C, a protein structurally closely related to fetuin-A. Indeed, cystatin C was an inhibitor for human meprin (K(i) = 8.5 × 10(-6) M) but, interestingly, not for meprin . Thus, the identification of fetuin-A and cystatin C as endogenous proteolytic regulators of meprin activity broadens our understanding of the proteolytic network in plasma.

Lung on Chip: In vitro HGF effects on injured alveolar A549 epithelial cells in microfluidic system

Microfluidic systems have become competitive tools in the invitro modelling of diseases and promising alternatives to animal studies. They allow obtaining more invivo like conditions for cellular assays. Research in idiopathic pulmonary fibrosis could benefit from this novel methodological approach to understand the pathophysiology of the disease & develop efficient therapies. The use of hepatocyte growth factor (HGF) for alveolar reepithelisation is a promising approach. In this study, we show a new microfluidic system to analyse the effects of HGF on injured alveolar epithelial cells. Microfluidic systems in polydimethylsiloxane were fabricated by soft lithography. The alveolar A549 epithelial cells (10,000 cells) were seeded and studied in these microfluidic systems with media perfusion (1μl/30min). Injury tests were made on the cells by the perfusion with media containing H2O2 or bleomycin. The degree of injury was then assessed by a metabolic and an apoptotic assays. Wound assays were also performed with a central laminar flow of trypsin. Monitoring of wound closure with HGF vs control media was assessed. The alveolar A549 epithelial cells grew and proliferated in the microfluidic system. In the wound closure assay, the degree of wound closure after 5 hours was (53.3±1.3%) with HGF compared to (9.8±2.4%) without HGF (P <0.001). We present a novel microfluidic model that allows culture, injury and wounding of A549 epithelial cells and represents the first step towards the development of an invitro reconstitution of the alveolar-capillary interface. We were also able to confirm that HGF increased alveolar epithelial repair in this system.

A degradation-sensitive anionic trypsinogen (PRSS2) variant protects against chronic pancreatitis

Chronic pancreatitis is a common inflammatory disease of the pancreas. Mutations in the genes encoding cationic trypsinogen (PRSS1) and the pancreatic secretory trypsin inhibitor (SPINK1) are associated with chronic pancreatitis. Because increased proteolytic activity owing to mutated PRSS1 enhances the risk for chronic pancreatitis, mutations in the gene encoding anionic trypsinogen (PRSS2) may also predispose to disease. Here we analyzed PRSS2 in individuals with chronic pancreatitis and controls and found, to our surprise, that a variant of codon 191 (G191R) is overrepresented in control subjects: G191R was present in 220/6,459 (3.4%) controls but in only 32/2,466 (1.3%) affected individuals (odds ratio 0.37; P = 1.1 x 10(-8)). Upon activation by enterokinase or trypsin, purified recombinant G191R protein showed a complete loss of trypsin activity owing to the introduction of a new tryptic cleavage site that renders the enzyme hypersensitive to autocatalytic proteolysis. In conclusion, the G191R variant of PRSS2 mitigates intrapancreatic trypsin activity and thereby protects against chronic pancreatitis.

Quantitative magnetic resonance imaging of enzymatically induced degradation of the nucleus pulposus of intervertebral discs

STUDY DESIGN: The structural integrity of the nucleus pulposus (NP) of intervertebral discs was targeted by enzyme-specific degradations to correlate their effects to the magnetic resonance (MR) signal. OBJECTIVE: To develop quantitative MR imaging as an accurate and noninvasive diagnostic tool to better understand and treat disc degeneration. SUMMARY OF BACKGROUND DATA: Quantitative MR analysis has been previously shown to reflect not only the disc matrix composition, but also the structural integrity of the disc matrix. Further work is required to identify the contribution of the structural integrity versus the matrix composition to the MR signal. METHODS: The bovine coccygeal NPs were injected with either enzyme or buffer, incubated at 37 degrees C as static, unloaded and closed 3-disc segments, and analyzed by a 1.5-Tesla MR scanner to measure MR parameters. RESULTS: Collagenase degradation of the NP significantly decreased the relaxation times, slightly decreased the magnetization transfer ratio, and slightly increased the apparent diffusion coefficient. Targeting the proteoglycan and/or hyaluronan integrity by trypsin and hyaluronidase did not significantly affect the MR parameters, except for an increase in the apparent diffusion coefficient of the disc after trypsin treatment. CONCLUSIONS: Our results demonstrate that changes in the structural integrity of matrix proteins can be assessed by quantitative MR.

Establishment and characterization of a primary canine duodenal epithelial cell culture

Many mechanisms involved in the pathogenesis of chronic enteropathies or host-pathogen interactions in canine intestine have not been elucidated so far. Next to the clinical and in vivo research tools, an in vitro model of canine intestinal cell culture would be very helpful for studies at the cellular level. Therefore, the purpose of this study was to establish and characterize a primary canine duodenal epithelial cell culture. Neonatal duodenum was disrupted with trypsin-ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and the mucosa scraped off and digested with collagenase and dispase. After centrifugation on a 2% sorbitol gradient, the cells were incubated at 37 degrees C in OptiMEM supplemented with Primocin, epidermal growth factor, insulin, hydrocortisone, and 10% fetal calf serum (FCS). After 24 h, the FCS concentration was reduced to 2.5%, and the temperature decreased to 33 degrees C. With this method, the cultures were growing to confluent monolayers within 5-6 d and remained viable for an average of 2 wk. Their epithelial nature was confirmed by electron microscopy and immunofluorescence staining using antibodies directed against specific cytokeratins, desmosomes, and tight junctions. The intestinal cells proliferated, as evidenced by immunolabeling with a Ki-67 antibody, and cryptal cell subpopulations could be identified. Furthermore, alkaline phosphatase and sucrase activity were detected.

A novel 2D-based approach to the discovery of candidate substrates for the metalloendopeptidase meprin

In the past, protease-substrate finding proved to be rather haphazard and was executed by in vitro cleavage assays using singly selected targets. In the present study, we report the first protease proteomic approach applied to meprin, an astacin-like metalloendopeptidase, to determine physiological substrates in a cell-based system of Madin-Darby canine kidney epithelial cells. A simple 2D IEF/SDS/PAGE-based image analysis procedure was designed to find candidate substrates in conditioned media of Madin-Darby canine kidney cells expressing meprin in zymogen or in active form. The method enabled the discovery of hitherto unknown meprin substrates with shortened (non-trypsin-generated) N- and C-terminally truncated cleavage products in peptide fragments upon LC-MS/MS analysis. Of 22 (17 nonredundant) candidate substrates identified, the proteolytic processing of vinculin, lysyl oxidase, collagen type V and annexin A1 was analysed by means of immunoblotting validation experiments. The classification of substrates into functional groups may propose new functions for meprins in the regulation of cell homeostasis and the extracellular environment, and in innate immunity, respectively.

THE POTENTIAL OF INDUSTRIAL WASTE AND AGRICULTURAL FEEDSTOCK TOWARDS SUSTAINABLE BIOFUELS PRODUCTION: TECHNO-ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL IMPACT PERSPECTIVES

This Ph.D. research is comprised of three major components; (i) Characterization study to analyze the composition of defatted corn syrup (DCS) from a dry corn mill facility (ii) Hydrolysis experiments to optimize the production of fermentable sugars and amino acid platform using DCS and (iii) Sustainability analyses. Analyses of DCS included total solids, ash content, total protein, amino acids, inorganic elements, starch, total carbohydrates, lignin, organic acids, glycerol, and presence of functional groups. Total solids content was 37.4% (± 0.4%) by weight, and the mass balance closure was 101%. Total carbohydrates [27% (± 5%) wt.] comprised of starch (5.6%), soluble monomer carbohydrates (12%) and non-starch carbohydrates (10%). Hemicellulose components (structural and non-structural) were; xylan (6%), xylose (1%), mannan (1%), mannose (0.4%), arabinan (1%), arabinose (0.4%), galatactan (3%) and galactose (0.4%). Based on the measured physical and chemical components, bio-chemical conversion route and subsequent fermentation to value added products was identified as promising. DCS has potential to serve as an important fermentation feedstock for bio-based chemicals production. In the sugar hydrolysis experiments, reaction parameters such as acid concentration and retention time were analyzed to determine the optimal conditions to maximize monomer sugar yields while keeping the inhibitors at minimum. Total fermentable sugars produced can reach approximately 86% of theoretical yield when subjected to dilute acid pretreatment (DAP). DAP followed by subsequent enzymatic hydrolysis was most effective for 0 wt% acid hydrolysate samples and least efficient towards 1 and 2 wt% acid hydrolysate samples. The best hydrolysis scheme DCS from an industry's point of view is standalone 60 minutes dilute acid hydrolysis at 2 wt% acid concentration. The combined effect of hydrolysis reaction time, temperature and ratio of enzyme to substrate ratio to develop hydrolysis process that optimizes the production of amino acids in DCS were studied. Four key hydrolysis pathways were investigated for the production of amino acids using DCS. The first hydrolysis pathway is the amino acid analysis using DAP. The second pathway is DAP of DCS followed by protein hydrolysis using proteases [Trypsin, Pronase E (Streptomyces griseus) and Protex 6L]. The third hydrolysis pathway investigated a standalone experiment using proteases (Trypsin, Pronase E, Protex 6L, and Alcalase) on the DCS without any pretreatment. The final pathway investigated the use of Accellerase 1500® and Protex 6L to simultaneously produce fermentable sugars and amino acids over a 24 hour hydrolysis reaction time. The 3 key objectives of the techno-economic analysis component of this PhD research included; (i) Development of a process design for the production of both the sugar and amino acid platforms with DAP using DCS (ii) A preliminary cost analysis to estimate the initial capital cost and operating cost of this facility (iii) A greenhouse gas analysis to understand the environmental impact of this facility. Using Aspen Plus®, a conceptual process design has been constructed. Finally, both Aspen Plus Economic Analyzer® and Simapro® sofware were employed to conduct the cost analysis as well as the carbon footprint emissions of this process facility respectively. Another section of my PhD research work focused on the life cycle assessment (LCA) of commonly used dairy feeds in the U.S. Greenhouse gas (GHG) emissions analysis was conducted for cultivation, harvesting, and production of common dairy feeds used for the production of dairy milk in the U.S. The goal was to determine the carbon footprint [grams CO2 equivalents (gCO2e)/kg of dry feed] in the U.S. on a regional basis, identify key inputs, and make recommendations for emissions reduction. The final section of my Ph.D. research work was an LCA of a single dairy feed mill located in Michigan, USA. The primary goal was to conduct a preliminary assessment of dairy feed mill operations and ultimately determine the GHG emissions for 1 kilogram of milled dairy feed.

Assessment of the Matrix Degenerative Effects of MMP-3, ADAMTS-4 and HTRA1 injected into a bovine Intervertebral Disc Organ Culture Model

Study Design. In vitro study to develop an intervertebral disc degeneration (IDD) organ culture model, using coccygeal bovine intervertebral discs (IVDs) and injection of proteolytic enzymes MMP-3, ADAMTS-4 and HTRA1.Objective. This study aimed to develop an in-vitro model of enzyme-mediated IDD to mimic the clinical outcome in humans for investigation of therapeutic treatment options.Summary of Background Data. Bovine IVDs are comparable to human IVDs in terms of cell composition and biomechanical behavior. Researchers injected papain and trypsin into them to create an IDD model with a degenerated nucleus pulposus (NP) area. They achieved macroscopic cavities as well as a loss of glycosaminoglycans (GAGs). However, none of these enzymes are clinically relevant.Methods. Bovine IVDs were harvested maintaining the endplates. Active forms of MMP-3, ADAMTS-4 and HTRA1 were injected at a dose of 10μg/ml each. Phosphate buffered saline (PBS) was injected as a control. Discs were cultured for 8 days and loaded diurnally (day 1 to day 4 with 0.4 MPa for 16 h) and left under free swelling condition from day 4 to day 8 to avoid expected artifacts due to dehydration of the NP. Outcome parameters included disc height, metabolic cell activity, DNA content, glycosaminoglycan (GAG) content, total collagen content, relative gene expression and histological investigation.Results. The mean metabolic cell activity was significantly lower in the NP area of discs injected with ADAMTS-4 compared to the day 0 control discs. Disc height was decreased following injection with HTRA1, and was significantly correlated with changes in GAG/DNA of the NP tissue. Total collagen content tended to be lower in groups injected with ADAMTS4 and MMP-3.Conclusion. MMP-3, ADAMTS-4 and HTRA1 neither provoked visible matrix degradation nor major shifts in gene expression. However, cell activity was significantly reduced and HTRA1 induced loss of disc height which positively correlated with changes in GAG/DNA content. The use of higher doses of these enzymes or a combination thereof may therefore be necessary to induce disc degeneration