Isabel Schultz

• SUMMARY Insulin-like growth factor I (IGF-I) is a polypeptide with a molecular weight of 7.649 kDa and an anabolic potential. Thereby, IGF-I has a promising therapeutic value e.g. in muscle wasting diseases such as sarcopenia. IGF-I is mainly secreted by the liver in response to growth hormone (GH) stimulation and is rather ubiquitously found within all tissues. The effects of IGF-I are mediated by its respective IGF-I transmembrane tyrosine kinase receptor triggering the stimulation of protein synthesis, glucose uptake and the regulation ofSUMMARY Insulin-like growth factor I (IGF-I) is a polypeptide with a molecular weight of 7.649 kDa and an anabolic potential. Thereby, IGF-I has a promising therapeutic value e.g. in muscle wasting diseases such as sarcopenia. IGF-I is mainly secreted by the liver in response to growth hormone (GH) stimulation and is rather ubiquitously found within all tissues. The effects of IGF-I are mediated by its respective IGF-I transmembrane tyrosine kinase receptor triggering the stimulation of protein synthesis, glucose uptake and the regulation of cell growth. The actions of IGF-I are modulated by six IGF binding proteins binding and transporting IGF-I in a binary or ternary complex to tissues and receptors and modulating the binding of IGF-I to its receptor. The nature of the formed complexes impacts IGF-I`s half-life, modulating the half-life between 10 minutes (free IGF-I) to 12 - 15 hours when presented in a ternary complex with IGF binding protein 3 and an acid labile subunit (ALS). Therefore, sustained drug delivery systems of free IGF-I are superficially seen as interesting for the development of controlled release profiles, as the rate of absorption is apparently and easily set slower by simple formulation as compared to the rapid rate of elimination. Thereby, one would conclude, the formulation scientist can rapidly develop systems for which the pharmacokinetics of IGF-I are dominated by the formulation release kinetics. However, the in vivo situation is more complex and as mentioned (vide supra), the half-life may easily be prolonged up to hours providing proper IGF-I complexation takes place upon systemic uptake. These and other aspects are reviewed in Chapter I, within which we introduce IGF-I as a promising therapeutic agent detailing its structure and involved receptors along with the resulting signaling pathways. We summarize the control of IGF-I pharmacokinetics in nature within the context of its complex system of 6 binding proteins to control half-life and tissue distribution. Furthermore, we describe IGF-I variants with modulated properties in vivo and originated from alternative splicing. These insights were translated into sophisticated IGF-I delivery systems for therapeutic use. Aside from safety aspects, the challenges and requirements of an effective IGF-I therapy are discussed. Localized and systemic IGF-I delivery strategies, different routes of administration as well as liquid and solid IGF-I formulations are reviewed. Effective targeting of IGF-I by protein decoration is outlined and consequently this chapter provides an interesting guidance for successful IGF-I-delivery. In Chapter II, we firstly outline the stability of IGF-I in liquid formulations with the intention to deliver the biologic through the lung and the impact of buffer type, sodium chloride concentration and pH value on IGF-I stability is presented. IGF-I integrity was preserved in histidine buffer over 4 months at room temperature, but methionine 59 oxidation (Met(o)) along with reducible dimer and trimer formation was observed in an acidic environment (pH 4.5) and using acetate buffer. Strong aggregation resulted in a complete loss of IGF-I bioactivity, whereas the potency was partly maintained in samples showing a slight aggregation and complete IGF-I oxidation. Atomization by air-jet or vibrating-mesh nebulizers yielded in limited Met(o) formation and no aggregation. The results of IGF-I nebulization experiments regarding aerosol output rate, mass median aerodynamic diameter and fine particle fraction were comparable with 0.9% sodium chloride reference, approving the applicability of liquid IGF-I formulations for pulmonary delivery. In Chapter III we escalated the development to solid delivery systems designed for alveolar landing upon inhalation and by deploying trehalose and the newly introduced for pulmonary application silk-fibroin as carriers. Microparticles were produced using nano spray drying following analyses including IGF-I integrity, IGF-I release profiles and aerodynamic properties. In vitro transport kinetics of IGF-I across pulmonary Calu-3 epithelia were suggesting similar permeability as compared to IGF-I’s cognate protein, insulin that has already been successfully administered pulmonary in clinical settings. These in vivo results were translated to an ex vivo human lung lobe model. This work showed the feasibility of pulmonary IGF-I delivery and the advantageous diversification of excipients for pulmonary formulations using silk-fibroin. Chapter IV focuses on an innovative strategy for safe and controllable IGF-I delivery. In that chapter we escalated the development to novel IGF-I analogues. The intention was to provide a versatile biologic into which galenical properties can be engineered through chemical synthesis, e.g. by site directed coupling of polymers to IGF-I. For this purpose we genetically engineered two IGF-I variants containing an unnatural amino acid at two positions, respectively, thereby integrating alkyne functions into the primary sequence of the protein. These allowed linking IGF-I with other molecules in a site specific manner, i.e. via a copper catalyzed azide-alkyne Huisgen cycloaddition (click reaction). In this chapter we mainly introduce the two IGF-I variants, detail the delivery concept and describe the optimization of the expression conditions of the IGF-I variants. In conclusion, we span from simple liquid formulations for aerolization through solid systems for tailored for maximal alveolar landing to novel engineered IGF-I analogues. Thereby, three strategies for advanced IGF-I delivery were addressed and opportunities and limitations of each were outlined. Evidence was provided that sufficiently stable and easy to manufacture formulations can be developed as typically required for first in man studies. Interestingly, solid systems – typically introduced in later stages of pharmaceutical development – were quite promising. By use of silk-fibroin as a new IGF-I carrier for pulmonary administration, a new application was established for this excipient. The demonstrated success using the ex vivo human lung lobe model provided substantial confidence that pulmonary IGF-I delivery is possible in man. Finally, this work describes the expression of two IGF-I variants containing two unnatural amino acids to implement an innovative strategy for IGF-I delivery. This genetic engineering approach was providing the fundament for novel IGF-I analogues. Ideally, the biologic is structurally modified by covalently linked moieties for the control of pharmacokinetics or for targeted delivery, e.g. into sarcopenic muscles. One future scenario is dicussed in the ‘conclusion and outlook’ section for which IGF-I is tagged to a protease sensitive linker peptide and this linker peptide in return is coupled to a polyethylenglykole (PEG) polymer (required to prolong the half-life). Some proteases may serve as proxy for sarcopenia such that protease upregulation in compromised muscle tissues drives cleavage of IGF-I from the PEG. Thereby, IGF-I is released at the seat of the disease while systemic side effects are minimized.…
• ZUSAMMEMFASSUNG Insulin-like growth factor I (IGF-I) ist ein 7.6 kDa großes Polypeptid, das eine anabole Wirkung besitzt und dadurch ein vielversprechendes Therapeutikum in Muskelerkrankungen wie z.B. Sarkopenie darstellt. IGF-I wird hauptsächlich von der Leber gebildet und infolge der Stimulation des Wachstumshormons Somatropin sezerniert. In fast jedem Gewebe des Körpers kommt IGF-I vor. Die Wirkungen von IGF-I werden über eigene Rezeptoren, die an die Zellmembran gebunden sind, die Rezeptor-Tyrosinkinasen, ausgeführt. Zu den WirkungenZUSAMMEMFASSUNG Insulin-like growth factor I (IGF-I) ist ein 7.6 kDa großes Polypeptid, das eine anabole Wirkung besitzt und dadurch ein vielversprechendes Therapeutikum in Muskelerkrankungen wie z.B. Sarkopenie darstellt. IGF-I wird hauptsächlich von der Leber gebildet und infolge der Stimulation des Wachstumshormons Somatropin sezerniert. In fast jedem Gewebe des Körpers kommt IGF-I vor. Die Wirkungen von IGF-I werden über eigene Rezeptoren, die an die Zellmembran gebunden sind, die Rezeptor-Tyrosinkinasen, ausgeführt. Zu den Wirkungen gehören unter anderem die Stimulation der Proteinsynthese, die Aufnahme von Glucose in die Zellen und die Regulierung des Zellwachstums. Die Effekte von IGF-I werden von 6 IGF- Bindungsproteinen (IGFBP 1-6) gesteuert, indem IGF-I in einem binären oder ternären Komplex zu den Geweben transportiert oder auch die Bindung von IGF-I an den Rezeptor verhindert werden kann. Die sich bildenden Komplexe haben auch einen Einfluss auf die Halbwertszeit (HWZ) von IGF-I, da für ungebundenes IGF-I eine HWZ von ca. 10 Minuten festgestellt werden konnte, aber IGF-I, gebunden in einem ternären Komplex mit dem Bindungsprotein 3 und der säurelabilen Untereinheit (ALS) eine erhöhte HWZ von 12 – 15 Stunden aufweist. Deswegen sind „sustained drug delivery“ Systeme von ungebundenem IGF-I auf den ersten Blick interessant für die Entwicklung von kontrollierten Freisetungsprofilen, da die Absorptionsgeschwindigkeit offensichtlich und problemlos durch triviale Formulierung verlangsamt werden kann im Vergleich zu der schnellen Eliminationsgeschwindigkeit. Deshalb könnte man daraus schließen, dass ein Formulierungsexperte recht schnell Systeme entwickeln kann, in denen die Freisetzungskinetik der Formulierung über die pharmakokinetischen Eigenschaften von IGF-I dominiert. Jedoch ist die in vivo Situation wesentlich komplexer und wie oben bereits erwähnt, könnte die Halbwertszeit problemlos bis zu mehreren Stunden verlängert werden, sofern geeignete Komplexbildung von IGF-I nach systemischer Aufnahme erfolgt. Diese und weitere Aspekte werden in Kapitel I beschrieben. Außerdem stellen wir IGF-I als wertvolles Therapeutikum vor, beschreiben dessen Struktur, die beteiligten Rezeptoren und die daraus resultierenden Signalwege. Wir fassen die Kontrolle der Pharmakokinetik von IGF-I in der Natur zusammen, im Rahmen von einem komplexen System aus 6 Bindungsproteinen, die die Halbwertszeit und die Gewebeverteilung steuern. Außerdem beschreiben wir IGF-I Varianten, die veränderte Eigenschaften in vivo aufweisen und durch alternatives Spleißen entstanden sind. Diese Erkenntnisse werden in hochentwickelte „IGF-I delivery“ Systeme für den therapeutischen Gebrauch umgesetzt. Neben Sicherheitsaspekten werden die Herausforderungen und Anforderungen einer effektiven IGF-I Therapie diskutiert. Darüber hinaus wird über lokale und systemische „IGF-I delivery“ Strategien, verschiedene Verabreichungswege sowie flüssige und feste IGF-I Formulierungen berichtet. Ebenso wird die wirkungsvolle IGF-I Freisetzung am Zielort durch Ausschmückung des Proteins beschrieben und dementsprechend liefert dieses Kapitel eine interessante Orientierungshilfe für eine erfolgreiche IGF-I Therapie. Im Kapitel II untersuchen wir die Stabilität von IGF-I in flüssigen Formulierungen zur pulmonalen Anwendung bezüglich Puffersystem, Natriumchlorid Konzentration und pH Wert. Die IGF-I Integrität wurde im Histidin Puffer über 4 Monate bei Raumtemperatur aufrechterhalten. Allerdings wurde bei Verwendung eines Acetat Puffers pH 4.5, Oxidation am Methionin 59 (Met(o)) sowie die Entstehung von reduzierbaren Dimeren und Trimeren beobachtet. Starke Aggregation führte zum vollständigen Verlust der IGF-I Bioaktivität, während die Wirkung in Proben aufrechterhalten werden konnte, in denen eine geringe Aggregation, aber deutliche Oxidation festgestellt wurde. Nach der Verneblung der flüssigen IGF-I Formulierung im Histidin-Puffer pH 6.5 mit einem Druckluftvernebler und einem Schwingmembranvernebler wurde jeweils eine leichte Bildung von Met(o), aber keine Aggregatbildung ermittelt. Die Ergebnisse der IGF-I Verneblungsexperimente waren vergleichbar mit den Referenzwerten einer isotonischen Kochsalzlösung bezüglich der Abgabeleistung, dem massenbezogenen medianen aerodynamischen Durchmesser und dem Feinpartikel Anteil. Hierdurch wurde gezeigt, dass sich flüssige IGF-I Formulierungen zur pulmonalen Anwendung eignen. Im Kapitel III berichten wir von einer Weiterentwicklung zu festen IGF-I Formulierungen für die pulmonale Route unter Verwendung von Trehalose und Seidenfibroin als neues Trägermaterial für die pulmonale Applikation. Mikropartikel wurden durch Nanosprühtrocknung hergestellt und anschließend auf IGF-I Integrität, IGF-I Freisetzung und dem aerodynamischen Durchmesser untersucht. Die Kinetik des in vitro Transportes von IGF-I durch Calu-3 Lungenepithelzellen war vergleichbar zur Durchgängigkeit von Insulin, das bereits erfolgreich pulmonal verabreicht wurde. Dieser Erfolg wurden auch ex vivo in einem menschlichen Lungenlappen Model bestätigt. In der Arbeit wird somit gezeigt, dass IGF-I zur pulmonalen Anwendung geeignet ist und die Verwendung von Seidenfibroin eine nützliche Erweiterung zu den bisher eingesetzten Trägermaterialien darstellt. Das Kapitel IV konzentriert sich auf eine innovative Strategie, um IGF-I sicher und kontrollierbar zu verabreichen. In diesem Kapitel erweitern wir die Entwicklung zu neuartigen IGF-I Varianten. Wir streben damit an ein vielseitiges Biologikum zu entwickeln, dessen Eigenschaften durch chemische Reaktionen verändert werden können wie zum Beispiel die spezifische Verknüpfung mit Polymeren. Zu diesem Zweck erzeugten wir gentechnisch zwei IGF-I Varianten, die jeweils an zwei Positionen eine unnatürliche Aminosäure aufweisen und führten dadurch Alkine Gruppen in die Primärstruktur der Proteine ein. Diese Vorgehensweise ermöglicht es nun IGF-I mit anderen Molekülen positionsspezifisch zu verbinden wie zum Beispiel durch die kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (Click – Reaktion). In diesem Kapitel stellen wir hauptsächlich die zwei IGF-I Varianten vor, beschreiben ausführlich das Konzept der IGF-I Zustellung und erklären die Vorgehensweise zur Optimierung der Expressionsbedingungen der IGF-I Varianten. Abschließend lässt sich sagen, dass sich diese Arbeit über einfach flüssige Formulierungen zur Verneblung, feste Formulierung mit guten aerodynamischen Eigenschaften zur Erreichung der Alveolen und neuartig entwickelte IGF-I Varianten erstreckt. Hierzu werden drei Strategien zur modernen IGF-I Gabe thematisiert und sowohl die Möglichkeiten als auch die Grenzen der jeweiligen Therapie erörtert. Wir haben den Nachweis erbracht, dass ausreichend stabile und leicht herzustellende Formulierungen entwickelt werden können, die üblicherweise für „First-In-Man“ Studien benötigt werden. Interessanterweise stellten sich die festen Formulierungen, die eigentlich in den späteren Phasen der pharmazeutischen Entwicklung eingeführt werden, als sehr vielversprechend heraus. Durch den Einsatz von Seidenfibroin als neuen Träger zur pulmonalen Anwendung haben wir einen neuen Verwendungszweck für Seidenfibroin etabliert. Der erfolgreiche Versuch ex vivo am menschlichen Lungenlappen Model liefert die feste Überzeugung, dass es möglich ist, IGF-I im Menschen pulmonal anzuwenden. Letztendlich, beschreibt die Arbeit die Expression von zwei IGF-I Varianten, die zwei unnatürliche Aminosäuren aufweisen, um eine neuartige Strategie zur IGF-I Verabreichung umzusetzen. Dieser gentechnische Ansatz liefert die Grundlage für neue IGF-I Varianten. Idealerweise, wird das Biopharmazeutikum strukturell durch kovalent gebundene Reste verändert, um die pharmakokinetischen Eigenschaften zu steuern oder um zielgenaue Wirkstoffabgabe zu erreichen zum Beispiel in den sarkopenischen Muskeln. Ein Zukunftsszenarium wird im Abschnitt „Conclusion and Outlook“ diskutiert, in dem IGF-I mit einem Protease empfindlichen Linker versehen wird, der wiederum mit einem Polyethylenglykol (PEG) Polymer verknüpft ist. Der PEG Rest wird benötigt, um die Hablbwertszeit von IGF-I zu erhöhen. Einige Proteasen könnten als Stellvertreter für Sarkopenie dienen, so dass die Hochregulierung der Proteasen in gefährdeten Muskelgeweben zur Spaltung von IGF-I und dem PEG Rest führt. Dadurch wird IGF-I am Ursprung der Erkrankungen freigesetzt, während die systemischen Nebenwirkungen weitgehend vermindert sind.…