title: Immune system engagers with tuneable properties
Creators: name: Mauthner, Ricarda
Publisher: name: :none
Year: 2022

description: Krebs ist in der heutigen Zeit eine der häufigsten Krankheiten, wobei laut GLOBOCAN 2020 19,3 Millionen Menschen im Jahr 2020 an Krebs erkrankten und 10 Millionen Menschen an den Folgen dieser Krankheit starben. Schätzungen dieser Studie prognostizieren eine Steigerung um 47% an Krebsneuerkrankungen bis zum Jahr 2040. Diese Fakten machen die Notwendigkeit einer zielgerichteten und erfolgreichen Behandlung umso offensichtlicher. In der Krebstherapie finden heutzutage Antikörper bereits ein breites Einsatzgebiet, aufgrund ihrer Fähigkeit einzelne Ziele selektiv anzugreifen und das Immunsystem zu aktivieren, ohne gesunden Zellen dabei zu schaden. Über 14 monoklonale Antikörper sind bereits in der Krebstherapie zugelassen. Antikörper besitzen jedoch bestimmte Nachteile, wie beispielsweise ihre Größe, Schwierigkeit der Herstellung in großem Maßstab, beschränkte Selektivität, beschränkte Stabilität und geringe Anzahl von Modifikationsstellen. Um einige dieser Nachteile ausgleichen zu können, werden sogenannte „Immune system engagers“ (ISErs) synthetisch hergestellt, die eine geringere Größe und breitere Modifikationsmöglichkeiten bieten. ISErs kombinieren die Fähigkeit von Antikörpern spezifische Ziele im Körper anzugreifen sowie deren Fähigkeit das Immunsystem zu stimulieren und umgehen dabei weitgehend die Größen- und Stabilitätsprobleme. Ziel dieser Arbeit war, die Synthese neuer, synthetischer ISErs und die Verbesserung dieser hinsichtlich ihrer Struktur, biologischen Verfügbarkeit sowie ihrer Fähigkeit das angeborene Immunsystem zu aktivieren. Hierfür wurde klassische Fmoc- Festphasenpeptidsynthese mit verschiedenen chemischen Ligationsmöglichkeiten kombiniert. In dieser Arbeit wurde als Ausgangsstruktur ein bereits literaturbekannter ISEr namens Y9 verwendet dessen Effizienz, sowohl des Effektors als auch der beiden Binder, bereits in Zellstudien und im Meerschweinmodell nachgewiesen wurden. Y9 setzt sich aus einem formylierten Effektor und zwei Bindern zusammen. Die zwei Binder sind über monodisperse Polyethylenketten (PEG) an den Effektor gebunden. Die formylierte Sequenz des Effektors wird beispielsweise im Bakterium Staphylococcus aureus angetroffen und aktiviert bekannterweise die N-formyl Peptidrezeptoren an Immunzellen. Die Binder binden mit einer hohen Affinität an die Integrin α3 Kette, welche von gewissen Tumorarten an der Zelloberfläche überexprimiert wird. Zur Synthese der neuen ISErs wurden zunächst verschieden lange PEG Ketten an die Grundstruktur von Y9 mittels Kupfer(I)-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAc) gekoppelt, um die sogenannten „tuneable“ ISErs (t-ISErs) herzustellen. Weiters wurden „activatable“ ISErs (a-ISErs) hergestellt, die einen spaltbaren Effektor besitzen, um die Effektor-Konzentration im Tumorgewebe zu erhöhen und damit auch die einhergehende Immunantwort. Hier wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt, erstens sollte ein pH labiler Effektor generiert werden, der spezifisch in den hypoxischen Tumorzellen bei niedrigen pH-Werten abgespalten wird. Zweitens wurden zwei nicht proteinogene Aminosäuren, Valin und Citrullin, in die Sequenz eingebaut, die spezifisch von Matrixmetalloproteasen (MMP) gespalten werden sollen, welche in gewissen Tumoren überexprimiert sind. Im Rahmen dieser Arbeit konnten drei neue ISErs erfolgreich synthetisiert werden. Beide t-ISErs sowie ein a-ISEr konnten zusätzlich auf die Aktivität der Binder und des Effektors getestet werden. Weites wurde ein a-ISEr mit einer Hydrazonbindung hergestellt. Hier gab es allerdings Probleme mit dessen Stabilität während der Aufreinigung, daher konnte diese Verbindung nicht vollständig hergestellt werden. Während den zusätzlich durchgeführten Experimenten zur Spaltung des a-ISErs mit Val-Cit mithilfe von MMP2 und HT29 Zellen, konnten keine Spaltprodukte beobachtet werden.
description: According to GLOBOCAN 2020 19.3 million new cases of cancer were diagnosed in one year and 10 million people died of this disease. It is predicted, that by 2040 there might be as much as a 47% increase in new cancer cases. With this statistic in mind, the search for better cancer therapeutics becomes even more urgent. In addition to well-established cancer drugs, like cis-Platin, monoclonal antibodies (mAbs) have found their way in cancer treatment. The latter display many advantages over small molecule drugs, like their ability to selectively target cancer cells while leaving healthy cells unharmed or to activate the body’s immune response. As of today, more than 14 mAbs are approved as cancer therapeutics. On the flip side, mAbs also show some disadvantages, such as their size, difficulty in generating them at large scales, limited stability and fewer possibilities of modification. To create more suitable drugs, which compensate for some of these disadvantages, so called “Immune system engagers” (ISErs) are being designed. They possess an intermediate size between mAbs and small drug molecules as well as having more modification possibilities. ISErs can also activate the innate immune system and specifically target cancer cells. The goal of this work was to synthesize new ISErs and optimizing them with regard to their structure, bioavailability and ability to activate the innate immune system. To achieve this, Fmoc solid phase peptide synthesis (SPPS) was combined with chemical ligation techniques. As starting structure for the synthesis and optimisation, a known ISEr called Y9 was used. The efficiency of this ISEr has already been proven in cell culture studies and in a guinea pig model. The structure of Y9 consists of an formylated effector and two binders. The latter are linked via polyethylene glycol (PEG) chains to the effector. The formylated short amino acid sequence can also be found in Staphylococcus aureus and activates the N-formyl peptide receptors on immune cells. The binders target with high affinity the integrin α3 chain, which is overexpressed on the cell surface of many tumours. For the synthesis of the novel ISErs, first the core structure of Y9 was modified by coupling PEG chains of different molecular weighs via copper(I)-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAc) to the structure, producing so-called tuneable ISErs (t-ISErs). Furthermore, activatable ISERs (a-ISErs) with a cleavable effector were designed to increase effector concentration in tumor tissue and the corresponding immune response. Two different strategies were applied here. First, the effector was linked to the larger scaffold with a hydrazone, which should be cleaved in the hypoxic low pH environment of cancer cells. Secondly, two non-proteinogenic amino acids, valine and citrulline, were introduced into the structure with the goal of being cut by matrix metalloproteinases (MMP), which are also overexpressed by tumour cells. During this thesis three novel ISErs were successfully synthesized and additionally tested regarding their effector and binder activity. One ISEr, with an introduced hydrazone linkage, proved to be unstable during analysis and purification and was therefore difficult to synthesize. Additionally, cleavage experiments with MMP2 were performed on one of the ISErs with a novel Val-Cit cleavage site but no cleavage from the chosen MMP could be observed.