Fetuin-A-based theranostics in ectopic calcification

Dzhanaev, Robert; Mottaghy, Felix; Jahnen-Dechent, Wilhelm

doi:42995

Fetuin-A-based theranostics in ectopic calcification

Dzhanaev, Robert^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dr. med. Robert Dzhanaev

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023. - Dissertation, Maastricht University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024. - Cotutelle-Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Jahnen-Dechent, Wilhelm (Thesis advisor)^RWTH* ; Mottaghy, Felix (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-10957
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/973716/files/973716.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehr- und Forschungsgebiet Zell- und Molekularbiologie an Grenzflächen (529000-2 ; 925220)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Kalzium ist ein wesentlicher Bestandteil des menschlichen Körpers, der etwa 2 % des Körpergewichts ausmacht. Aufgrund seiner direkten Beteiligung an einer Vielzahl von physiologischen Prozessen ist sein Stoffwechsel genau geregelt. Die Biomineralisierung ist der Prozess, bei dem Kalzium in die Körpergewebe eingebaut wird, um sie zu härten und ihre physiologischen Funktionen zu gewährleisten. Beim Menschen ist die Biomineralisierung auf Knochen und Zähne beschränkt und wird in anderen Geweben aktiv durch ein Netz von zirkulierenden und lokalen Kalzifizierungshemmern verhindert. Endokrine Störungen, entzündliche und altersbedingte Erkrankungen können dieses Netzwerk stören, was zur Ablagerung von Kalziumphosphat in Weichteilgeweben führt, die man als ektopische Kalzifizierung bezeichnet. Solche abnormen Ablagerungen von Kalziumsalzen können die Blutgefäße versteifen oder den Verlauf der Atherosklerose verschlimmern und zu schweren und sogar tödlichen Komplikationen wie Herzinfarkt oder Schlaganfall führen. Während es möglich ist, große verkalkte Läsionen zu visualisieren, sind entzündungsfördernde mikrometergroße Kalziumablagerungen mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren nur schwer zu erkennen. Unabhängig von der Größe der Verkalkungen gibt es derzeit keine konservativen Behandlungen zur Beseitigung bestehender Kalksalzablagerungen. Ziel der aktuellen Arbeit war es, Ansätze zur Bildgebung und Behandlung von ektopischen Verkalkungen zu entwickeln.Fetuin-A ist ein aus der Leber stammender, zirkulierender Verkalkungshemmer, der die Ausfällung von Kalziumphosphat verhindert. Seine hohe Affinität zu kalziumreichen Mineralien erklärt sich durch seine einzigartigen strukturellen Eigenschaften sowie durch seine molekulare Ladungsverteilung. Durch Anhängen von fluoreszierenden Proteinen an ein Molekül des murinen Fetuin-A wurde eine Reihe von fluoreszierenden Kalzifizierungssonden hergestellt. Die neuartigen Sonden erwiesen sich als ungiftig und geeignet für die Visualisierung von Verkalkungen an lebenden Zellen und übertrafen die herkömmlichen Färbetechniken. Darüber hinaus erwiesen sich die auf Fetuin-A basierenden Sonden als viel empfindlicher gegenüber Mikroverkalkungen als die chemischen Farbstoffe, die oft die kleinsten verkalkten Läsionen ungefärbt ließen. Schließlich wurden die neuen, mit einem Radionuklid markierten Sonden für die intravitale Bildgebung verwendet.Die Knochenresorption durch Osteoklasten ist der einzige natürliche Prozess, bei dem ansonsten unlösliches Kalziumsalz abgebaut wird. Die Differenzierung und Aktivierung der knochenresorbierenden Osteoklasten hängt im Wesentlichen von einem Zytokin namens RANKL ab. Durch die Fusion von RANKL mit Fetuin-A habe ich ein wirksames Instrument zur gezielten Aktivierung von Osteoklasten an Verkalkungsstellen erhalten. Insgesamt zeigen Fetuin-A-basierte Fusionsproteine ein vielversprechendes theranostisches Potenzial für ektopische Verkalkung.

Calcium is an essential component of the human body that accounts for approximately 2% of body weight. Due to its direct involvement in a multitude of physiological processes, its metabolism is precisely regulated. Biomineralization is the process by which calcium is incorporated into body tissues to harden them in order to ensure their physiological functions. In humans, biomineralization is restricted to bones and teeth and is actively prevented in other tissues by a network of circulating and local inhibitors of calcification. Endocrine disorders, inflammatory and age-related diseases can interfere with this network, resulting in buildup of calcium phosphate deposits in soft tissues in a process known as ectopic calcification. Such abnormal deposition of calcium salts can stiffen the blood vessels or worsens the course of atherosclerosis, leading to severe and even lethal complications such as myocardial infarction or stroke. While it is possible to visualize large calcified lesions, pro-inflammatory micrometer-sized calcium deposits are hard to detect using conventional imaging techniques. Regardless of the size of the calcifications, there are currently no conservative treatments to eliminate existing calcium salt deposits. The aim of current work was to develop approaches to imaging and treatment of ectopic calcifications using. Fetuin-A is a liver-derived circulating inhibitor of calcification that acts by preventing the precipitation of calcium phosphate. Its high affinity to calcium-rich minerals is explained by its unique structural properties as well as by its molecular charge distribution. A set of fluorescent calcification probes was generated by attaching fluorescent proteins to a molecule of murine fetuin-A. The novel probes were proven to be non-toxic and suitable for imaging calcification on living cells, surpassing the traditional staining techniques. Moreover, the fetuin-A-based probes were shown to be much sensitive toward microcalcifications than the chemical dyes, which were often leaving the smallest calcified lesions unstained. Finally, the novel probes labeled with a radionuclide were used for intravital imaging. Bone resorption by osteoclasts is the only natural process in which otherwise insoluble calcium salt is being broken down. Differentiation and activation of bone-resorbing osteoclast essentially depends on a cytokine called RANKL. By fusing RANKL with fetuin-A, I obtained an effective tool for targeted activation of osteoclasts at calcification sites. Collectively, fetuin-A-based fusion proteins show a promising theranostic potential for ectopic calcification.

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