Strategies to improve the biological performance of protein therapeutics

• Main Author: Gador, Eva
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2018
• Subjects: biologics; TGF-β3; IGF-I; FGF-2; ddc:540
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/16179; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-161798; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-161798; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/16179/Gador_Eva_protein_therapeutics.pdf

During the last decades the number of biologics increased dramatically and several biopharmaceutical drugs such as peptides, therapeutic proteins, hormones, enzymes, vaccines, monoclonal antibodies and antibody-drug conjugates conquered the market. Moreover, administration and local delivery of growth factors has gained substantial importance in the field of tissue engineering. Despite progress that has been made over the last decades formulation and delivery of therapeutic proteins is still a challenge. Thus, we worked on formulation and delivery strategies of therapeutic proteins to improve their biological performance. Phase I of this work deals with protein stability with the main focus on a liquid protein formulation of the dimeric fusion protein PR-15, a lesion specific platelet adhesion inhibitor. In order to develop an adequate formulation ensuring the stability and bioactivity of PR-15 during storage at 4 °C, a pH screening, a forced degradation and a Design of Experiments (DoE) was performed. First the stability and bioactivity of PR-15 in 50 mM histidine buffer in relation to pH was evaluated in a short-term storage stability study at 25 °C and 40 °C for 4 and 8 weeks using different analytical methods. Additionally, potential degradation pathways of PR-15 were investigated under stressed conditions such as heat treatment, acidic or basic pH, freeze-thaw cycles, light exposure, induced oxidation and induced deamidation during the forced degradation study. Moreover, we were able to identify the main degradation product of PR-15 by performing LC/ESI-MS analysis. Further optimization of the injectable PR 15 formulation concerning pH, the choice of buffer and the addition of excipients was studied in the following DoE and finally an optimal PR-15 formulation was found. The growth factors BMP-2, IGF-I and TGF-β3 were selected for the differentiation of stem cells for tissue engineering of cartilage and bone in order to prepare multifunctionalized osteochondral implants for the regeneration of cartilage defects. Silk fibroin (SF) was chosen as biomaterial because of its biocompatibility, mechanical properties and its opportunity for biofunctionalization. Ideal geometry of SF scaffolds with optimal porosity was found in order to generate both tissues on one scaffold. The growth factors BMP-2 and IGF-I were modified to allow spatially restricted covalent immobilization on the generated porous SF scaffolds. In order to perform site-directed covalent coupling by the usage of click chemistry on two opposite sides of the scaffold, we genetically engineered BMP-2 (not shown in this work; performed by Barbara Tabisz) and IGF-I for the introduction of alkyne or azide bearing artificial amino acids. TGF β3 was immobilized to beads through common EDC/NHS chemistry requiring no modification and distributed in the pores of the entire scaffold. For this reason protein modification, protein engineering, protein immobilization and bioconjugation are investigated in phase II. Beside the synthesis the focus was on the characterization of such modified proteins and its conjugates. The field of protein engineering offers a wide range of possibilities to modify existing proteins or to design new proteins with prolonged serum half-life, increased conformational stability or improved release rates according to their clinical use. Site-directed click chemistry and non-site-directed EDC/NHS chemistry were used for bioconjugation and protein immobilization with the aim to underline the preferences of site-directed coupling. We chose three strategies for the incorporation of alkyne or azide functionality for the performance of click reaction into the protein of interest: diazonium coupling reaction, PEGylation and genetic engineering. Azido groups were successfully introduced into SF by implementation of diazonium coupling and alkyne, amino or acid functionality was incorporated into FGF-2 as model protein by means of thiol PEGylation. The proper folding of FGF-2 after PEGylation was assessed by fluorescence spectroscopy, WST-1 proliferation assay ensured moderate bioactivity and the purity of PEGylated FGF-2 samples was monitored with RP-HPLC. Moreover, the modification of native FGF-2 with 10 kDa PEG chains resulted in enhanced thermal stability. Additionally, we genetically engineered one IGF-I mutant by incorporating the unnatural amino acid propargyl-L-lysine (plk) at position 65 into the IGF-I amino acid sequence and were able to express hardly verifiable amounts of plk-IGF-I. Consequently, plk-IGF-I expression has to be further optimized in future studies in order to generate plk-IGF-I with higher yields. Bioconjugation of PEGylated FGF-2 with functionalized silk was performed in solution and was successful for click as well as EDC/NHS chemistry. However, substantial amounts of unreacted PEG-FGF-2 were adsorbed to SF and could not be removed from the reaction mixture making it impossible to expose the advantages of click chemistry in relation to EDC/NHS chemistry. The immobilization of PEG-FGF-2 to microspheres was a trial to increase product yield and to remove unreacted PEG-FGF-2 from reaction mixture. Bound PEG-FGF-2 was visualized by fluorescence imaging or flow cytometry and bioactivity was assessed by analysis of the proliferation of NIH 3T3 cells. However, immobilization on beads raised the same issue as in solution: adsorption caused by electrostatic interactions of positively charged FGF-2 and negatively charged SF or beads. Finally, we were not able to prove superiority of site-directed click chemistry over non-site-directed EDC/NHS. The skills and knowledge in protein immobilization as well as protein characterization acquired during phase II helped us in phase III to engineer cartilage tissue in biofunctionalized SF scaffolds. The approach of covalent immobilization of the required growth factors is relevant because of their short in vivo half-lives and aimed at controlling their bioavailability. So TGF-β3 was covalently coupled by means of EDC/NHS chemistry to biocompatible and biostable PMMA beads. Herein, we directly compared bioactivity of covalently coupled and adsorbed TGF-β3. During the so-called luciferase assay bioactivity of covalent coupled as well as adsorbed TGF-β3 on PMMA beads was ensured. In order to investigate the real influence of EDC/NHS chemistry on TGF-β3’s bioactivity, the amount of immobilized TGF-β3 on PMMA beads was determined. Therefore, an ELISA method was established. The assessment of total amount of TGF-β3 immobilized on the PMMA beads allowed as to calculate coupling efficiency. A significantly higher coupling efficiency was determined for the coupling of TGF-β3 via EDC/NHS chemistry compared to the reaction without coupling reagents indicating a small amount of adsorbed TGF-β3. These results provide opportunity to determine the consequence of coupling by means of EDC/NHS chemistry for TGF β3 bioactivity. At first sight, no statistically significant difference between covalent immobilized and adsorbed TGF-β3 was observed regarding relative luciferase activities. But during comparison of total and active amount of TGF-β3 on PMMA beads detected by ELISA or luciferase assay, respectively, a decrease of TGF-β3’s bioactivity became apparent. Nevertheless, immobilized TGF β3 was further investigated in combination with SF scaffolds in order to drive BMSCs to the chondrogenic lineage. According to the results obtained through histological and immunohistochemical studies, biochemical assays as well as qRT-PCR of gene expression from BMSCs after 21 days in culture immobilized TGF-β3 was able to engineer cartilage tissue. These findings support the thesis that local presentation of TGF β3 is superior towards exogenous TGF β3 for the development of hyaline cartilage. Furthermore, we conclude that covalent immobilized TGF β3 is not only superior towards exogenously supplemented TGF-β3 but also superior towards adsorbed TGF-β3 for articular hyaline cartilage tissue engineering. Diffusion processes were inhibited through covalent immobilization of TGF-β3 to PMMA beads and thereby a stable and consistent TGF-β3 concentration was maintained in the target area. With the knowledge acquired during phase II and III as well as during the studies of Barbara Tabisz concerning the expression and purification of plk-BMP-2 we made considerable progress towards the formation of multifunctionalized osteochondral implants for the regeneration of cartilage defects. However, further studies are required for the translation of these insights into the development of multifunctionalized osteochondral SF scaffolds. === In den letzten Jahrzehnten stieg die Zahl der Biologika dramatisch an und mehrere biopharmazeutische Arzneimittel wie Peptide, therapeutische Proteine, Hormone, Enzyme, Impfstoffe, monoklonale Antikörper und Antikörper-Wirkstoff-Konjugate eroberten den Markt. Darüber hinaus hat die Applikation und lokale Verabreichung von Wachstumsfaktoren im Bereich des Tissue Engineerings eine wesentliche Bedeutung erlangt. Trotz der in den letzten Jahrzehnten erzielten Fortschritte ist die Formulierung und Verabreichung therapeutischer Proteine noch immer eine Herausforderung. Daher haben wir uns in dieser Arbeit mit der Formulierung und Verabreichung therapeutischer Proteine beschäftigt und Strategien entwickelt, um deren biologische Wirkung zu verbessern. In Phase I dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Stabilität des dimeren Fusionsproteins PR 15, einem Inhibitor der Adhäsion von Plättchen an arterielle Gefäßläsionen. Um eine geeignete flüssige Formulierung zu entwickeln, welche die Stabilität und Bioaktivität von PR-15 während der Lagerung bei 4 °C sicherstellt, wurde ein pH Screening, eine Forced Degradation Studie und ein Design of Experiments (DoE) durchgeführt. Zuerst wurde die Stabilität und Bioaktivität von PR-15 bei verschiedenen pH Werten in 50 mM Histidinpuffer in einer Kurzzeitstabilitätsstudie bei 25 °C und 40 °C nach 4 und 8 Wochen mit Hilfe verschiedener analytischer Methoden beobachtet. Des Weiteren wurden mögliche Abbauwege von PR-15 unter Stressbedingungen wie erhöhter Temperatur, saurem oder basischem pH-Wert, Einfrier-Auftau-Zyklen, Lichteinwirkung, induzierter Oxidation sowie induzierter Deamidierung während der Forced Degradation Studie untersucht. Darüber hinaus konnten wir das Hauptabbauprodukt von PR-15 durch LC/ESI-MS Analysen identifizieren. Im folgenden DoE wurde die injizierbare PR-15 Formulierung weiter optimiert und bezüglich pH, der Wahl des Puffers sowie der Zugabe von Hilfsstoffen analysiert, bis letztendlich eine optimale PR 15-Formulierung gefunden wurde. Die Wachstumsfaktoren BMP-2, IGF-I und TGF-β3 wurden zur Differenzierung von Stammzellen für das Tissue Engineering von Knochen und Knorpel ausgewählt, um multifunktionalisierte osteochondrale Implantate zur Regeneration von Knorpeldefekten herzustellen. Seidenfibroin (SF) wurde aufgrund seiner Biokompatibilität, seiner mechanischen Eigenschaften und seiner Möglichkeiten zur Biofunktionalisierung als Biomaterial gewählt. Zuerst wurden SF-Scaffolds mit idealer Geometrie und optimaler Porosität erzeugt, um sowohl Knochen also auch Knorpel auf einem Scaffold herzustellen. Um eine räumlich begrenzte kovalente Immobilisierung der Wachstumsfaktoren BMP-2 und IGF-I auf den porösen SF-Scaffolds zu ermöglichen, wurden diese mit unnatürlichen Aminosäuren genetisch modifiziert. Das Einführen von Alkin- bzw. Azidresten in die Aminosäuresequenz von BMP-2 (in dieser Arbeit nicht gezeigt; von Barbara Tabisz durchgeführt) und IGF-I erlaubt unter Verwendung der Click-Chemie eine ortsgerichtete kovalente Kopplung der Wachstumsfaktoren an zwei gegenüberliegenden Seiten der Scaffolds. TGF-β3 wurde durch gewöhnliche EDC/NHS-Chemie, welche keine Modifikation erforderte, kovalent an Mikrosphären immobilisiert und in den Poren des gesamten SF-Scaffolds verteilt. Daher beschäftigen wir uns in Phase II mit der Modifikation von Proteinen, dem Protein Engineering, der Immobilisation von Proteinen und mit Biokonjugation. Neben der Synthese lag der Fokus auf der Charakterisierung modifizierter Proteine und deren Konjugaten. Das Gebiet des Protein Engineerings bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, bestehende Proteine zu modifizieren oder neue Proteine mit verlängerter Serumhalbwertszeit, erhöhter konformativer Stabilität oder verbesserten Freisetzungsraten entsprechend der klinischen Anwendung zu entwickeln. Die ortsspezifische Click-Chemie und die nicht-ortsspezifische EDC/NHS-Chemie wurden für die Biokonjugation und die Immobilisierung von Proteinen verwendet mit dem Ziel, die Vorzüge der ortsgerichteten Kopplung hervorzuheben. Für den Einbau der für die Durchführung der Click-Reaktion erforderlichen Alkin- bzw. Azidfunktionalität in das betreffende Protein wurden drei Strategien ausgewählt: die Azokupplung, die PEGylierung und die gentechnische Modifizierung. Azidgruppen wurden mittels Azokupplung erfolgreich in SF eingebaut und die Alkin-, Amino- oder Säurefunktionalität wurde mittels PEGylierung der Cysteine in das Modellprotein FGF-2 integriert. Die korrekte Faltung von FGF-2 nach erfolgreicher PEGylierung wurde durch Fluoreszenzspektroskopie bestätigt, im WST-1 Proliferationsassay wurde eine angemessene Bioaktivität festgestellt und die Reinheit von PEGylierten FGF-2 wurde mittels RP-HPLC analysiert. Darüber hinaus führte die Modifikation von nativem FGF-2 mit 10 kDa PEG-Ketten zu einer erhöhten thermischen Stabilität. Des Weiteren wurde ein IGF-I-Mutant gentechnisch hergestellt, indem die unnatürliche Aminosäure Propargyl-L-Lysin (Plk) an Position 65 in die IGF-I-Sequenz eingebaut wurde. Da letztendlich lediglich kaum nachweisbare Mengen an Plk-IGF-I exprimiert werden konnten, muss die Plk-IGF-I-Expression in anschließenden Studien weiter optimiert werden, um Plk-IGF-I mit höheren Ausbeuten erzeugen zu können. Die Biokonjugation von PEGyliertem FGF-2 und funktionalisierter Seide wurde sowohl mittels Click- als auch mittels EDC/NHS-Chemie erfolgreich durchgeführt. Allerdings wurden erhebliche Mengen PEG-FGF-2 lediglich an SF adsorbiert und nicht kovalent gekoppelt und konnten schlussendlich nicht aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden. Die anschließende Immobilisierung von PEG-FGF-2 an Mikrosphären, war ein Versuch die Ausbeute der Reaktion zu erhöhen und adsorbiertes PEG-FGF-2 leichter zu entfernen. Immobilisiertes PEG-FGF-2 wurde mittels Fluoreszenzmikroskopie und/oder Durchflusszytometrie nachgewiesen und die Bioaktivität wurde durch die Analyse der Proliferation von NIH-3T3-Zellen ermittelt. Die Immobilisierung auf Mikrosphären führte jedoch zu demselben Problem wie in Lösung: Adsorption von positiv geladenem FGF-2 an negativ geladenes SF bzw. negativ geladenen Mikrosphären durch elektrostatische Wechselwirkungen. Schließlich waren wir nicht in der Lage, die Überlegenheit der ortsgerichteten Click-Chemie gegenüber der nicht-ortsgerichteten EDC/ NHS-Chemie zu beweisen. Die während Phase II erworbenen Fähigkeiten und Kenntnisse im Bereich der Immobilisierung und Charakterisierung von Proteinen halfen uns in Phase III Knorpelgewebe in biofunktionalisierten SF-Scaffolds zu erzeugen. Der Ansatz der kovalenten Immobilisierung, der für das Tissue Engineering von Knorpel erforderlichen Wachstumsfaktoren, ist aufgrund ihrer kurzen in vivo Halbwertszeiten von Bedeutung und zielt darauf ab, ihre Bioverfügbarkeit zu kontrollieren. So wurde TGF-β3 mittels EDC/NHS-Chemie kovalent an biokompatible und biostabile PMMA-Mikrosphären gekoppelt. Mit Hilfe des sogenannten Luciferase-Assays wurden die Bioaktivitäten von kovalent gekoppeltem sowie von adsorbiertem TGF-β3 auf PMMA-Mikrosphären ermittelt. Um die Kopplungseffizienz zu berechnen und den tatsächlichen Einfluss der EDC/NHS-Chemie auf die Bioaktivität von TGF-β3 zu untersuchen, wurde die Menge an immobilisiertem TGF-β3 auf PMMA-Mikrosphären mittels ELISA bestimmt. Für die Kopplung von TGF-β3 mittels EDC/NHS-Chemie wurde eine signifikant höhere Kopplungseffizienz im Vergleich zu der Reaktion ohne Kopplungsreagenzien, welche eine geringe Menge an adsorbiertem TGF-β3 zeigte, bestimmt. Bei alleiniger Betrachtung der Ergebnisse des Luciferase-Assays, bei welchem kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen kovalent immobilisiertem und adsorbiertem TGF-β3 bezüglich der relativen Luciferase-Aktivität beobachtet wurde, scheint es als hätte die EDC/NHS-Kopplung keinen Einfluss auf die Bioaktivität von TGF β3. Beim Vergleich der mittels ELISA bestimmten TGF β3 Gesamtmenge und der mittels Luciferase-Assay bestimmten Menge an aktivem TGF-β3 auf den PMMA-Mikrosphären, wurde jedoch ein Verlust der Bioaktivität von TGF-β3 durch die EDC/NHS-Kopplung deutlich. Ungeachtet dessen, wurde immobilisiertes TGF-β3 genutzt, um Knorpelgewebe in SF-Scaffolds aus BMSCs zu generieren. Nach den Ergebnissen der histologischen und immunhistochemischen Untersuchungen, der biochemischen Assays sowie der qRT-PCR der Genexpression von BMSCs nach 21 Tagen in Kultur, gelang es uns unter Verwendung von immobilisiertem TGF-β3 Knorpelgewebe aufzubauen. Diese Ergebnisse unterstützen die These, dass die lokale Präsentation von TGF-β3 gegenüber exogen zugegebenem TGF-β3 für die Entwicklung von hyalinem Knorpel überlegen ist. Außerdem schließen wir daraus, dass kovalent immobilisiertes TGF-β3 nicht nur gegenüber exogen zugegebenem TGF-β3 für die Entwicklung von hyalinem Knorpelgewebe überlegen ist, sondern auch gegenüber adsorbiertem TGF-β3. Diffusionsprozesse konnten durch kovalente Immobilisierung von TGF-β3 an PMMA-Mikrosphären verhindert werden und damit eine stabile und gleichmäßige TGF β3-Konzentration am Wirkort aufrechterhalten werden. Mit den in Phase II und III gewonnenen Erkenntnissen und den Untersuchungen von Barbara Tabisz zur Expression und Aufreinigung von plk-BMP-2 haben wir erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung multifunktionaler osteochondraler Implantate zur Regeneration von Knorpeldefekten gemacht. Für die Umsetzung dieser Erkenntnisse zur Herstellung multifunktionaler osteochondraler SF-Scaffolds sind jedoch weitere Studien erforderlich.