Interaction of glycosaminoglycans with growth factors and their receptors – implications for biological activity

Die aufgrund des demografischen Wandels steigende Zahl an Patienten mit Knochendefekten, chronischen Wunden und einhergehender Multimorbidität stellt ein großes klinisches und sozioökonomisches Problem dar. Derzeitige etablierte Verfahren zur Behandlung von Knochen- und Hautdefekten weisen zahlreiche Nachteile auf, weshalb die Erforschung innovativer Methoden notwendig ist. Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Wundheilungskapazität ist die Funktionalisierung von Biomaterialien mit Komponenten der extrazellulären Matrix (ECM), die eine Rolle bei der Geweberegeneration spielen. Glykosaminoglykane (GAGs) sind wichtige ECM-Komponenten, von denen bekannt ist, dass sie mit Mediatorproteinen interagieren, wodurch sie deren biologische Aktivität und damit zelluläre Prozesse beeinflussen. Native GAGs, wie Heparansulfat, sind jedoch aufgrund ihrer eingeschränkten Verfügbarkeit, Charge-zu-Charge-Variabilität und ihrer quellenabhängigen biologischen Aktivität nur begrenzt für biomedizinische Anwendungen geeignet. Daher sind chemisch modifizierte Hyaluronsäure (HA)- und Chondroitinsulfat (CS)-Derivate mit definierten Eigenschaften bezüglich des Kohlenhydratrückgrats, sowie des Sulfatierungsgrades und -musters besonders geeignet, um ihre Struktur-Eigenschaftsbeziehung in der Interaktion mit heilungsrelevanten Mediatorproteinen und Zellen zu untersuchen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen, mit denen GAGs zelluläre Prozesse direkt oder indirekt durch Bindung von Wachstumsfaktoren beeinflussen. Hierbei sollte vor allem gezeigt werden, wie Kohlenhydratrückgrat, Sulfatierungsgrad und -muster der GAG-Derivate die Interaktion und damit die biologische Aktivität des transformierenden Wachstumsfaktors (TGF)-β1, sowie der angiogenen Mediatoren vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor (VEGF)165 und basischer Fibroblasten-Wachstumsfaktor (bFGF) beeinflussen. In vorangegangen Studien wurde gezeigt, dass sulfatierte HA- (sHA) und CS-Derivate stark mit Wachstumsfaktoren, wie den knochenmorphogenetischen Proteinen (BMP)-2/-4 und TGF-β1 wechselwirken. Letzterer wies eine beeinträchtigte Bioaktivität in Gegenwart von hochsulfatierter HA (sHA3) auf. Der zugrundeliegende Mechanismus wurde bisher nicht vollständig aufgeklärt und daher in dieser Arbeit untersucht. Oberflächenplasmonresonanz (SPR)-Untersuchungen mit allen Komponenten des TGF-β1:Rezeptor-Komplexes in Anwesenheit von GAGs zeigten, dass die Vorinkubation von TGF-β1 mit sHA-Derivaten die Bindung von TGF-β1, insbesondere an TGF-β Rezeptor (TβR)-I, aber auch an TβR-II, blockierte. In sequentiellen SPR-Experimenten, welche die in vivo-TGF-β1:Rezeptor-Komplexbildung genauer nachahmen, war jedoch die Rekrutierung von TβR-I zum TβR-II/TGF-β1-Komplex signifikant stärker, wenn der Komplex sHA3 enthielt. GAGs üben somit einen dualen Blockierungsmechanismus auf die TGF-β1:Rezeptor-Komplexbildung aus, wobei die Effekte stark von der Reihenfolge der Bindungsereignisse abhängen. Die hier erstmals untersuchte Bioaktivität von TGF-β1 in Verbindung mit sHA auf Rezeptorebene zeigte eine Abnahme der Phosphorylierung für TβR-I und das TβR-I-regulierte Effektorprotein Smad2 in Gegenwart von sHA3, was auf die Bildung eines inaktiven Signalkomplexes hindeutet. Ebenfalls analysiert wurde die Struktur-Eigenschaftsbeziehung von HA- und CS-Derivaten in ihrer Wechselwirkung mit den wichtigsten angiogenen Wachstumsfaktoren: VEGF165 und bFGF. Ziel war es strukturelle Eigenschaften zu identifizieren, die zu einer Interaktion beitragen und die biologischen Konsequenzen von Wachstumsfaktor/GAG-Interaktion zu ermitteln. Beide Wachstumsfaktoren zeigten eine sulfatierungsabhängige Wechselwirkung mit GAG-Derivaten in der SPR-Bindungsanalyse. Anders als bFGF zeigte VEGF165 außerdem eine klare Präferenz für sHA im Vergleich zu CS-Derivaten, was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkung mit diesem Wachstumsfaktor nicht nur vom Sulfatierungsgrad, sondern auch vom Kohlenhydrat-Rückgrat des GAGs beeinflusst wird. sHA-Tetramere waren ausreichend, um mit VEGF165 und bFGF in SPR-Messungen zu interagieren und zeigten, dass die Position der Sulfatierung eine wichtige Rolle bei der Interaktion mit beiden angiogenen Wachstumsfaktoren zu spielen scheint, da die Bindungsstärke des sHA-Tetrasaccharids ohne C6-Sulfatierung des N-Acetylglucosamins (GlcNAc) im Vergleich zu einem ausschließlich an der C6-Position sulfatiertem Derivat geringer war. Interessanterweise war die Bindung von tetramerer persulfatierter HA (psHA) im Vergleich zu einem psHA-Hexamer stärker, was darauf hinweist, dass das Tetrasaccharid in der Lage ist, mit zusätzlichen GAG-Bindungsstellen von VEGF165 und bFGF zu interagieren. Die Bindung von VEGF165 und bFGF an ihre jeweiligen Rezeptoren VEGF Rezeptor (VEGFR)-2 und FGF Rezeptor (FGFR) 1 war vermindert, wenn die Wachstumsfaktoren in SPR-Studien mit sulfatierten GAGs vorinkubiert wurden. Auch hier wurde für VEGF165 ein Einfluss des Kohlenhydratrückgrats nachgewiesen, da die Bindung des Wachstumsfaktors an VEGFR-2 durch sHA-Derivate stärker gehemmt wurde als durch CS-Derivate mit vergleichbarem Sulfatierungsgrad. Auch auf die bFGF/FGFR1IIIc-Interaktion hatte die Sulfatierung der C6-Position des GlcNAc von sHA1 einen stärkeren Einfluss als die C4-Sulfatierung des GlcNAc von CS. Im Gegensatz dazu war die Blockierungskapazität von sCS3 und sHA3 jedoch ähnlich. Dies deutet auf einen geringen Einfluss des Kohlenhydratrückgrats, jedoch auf einen großen Einfluss des gesamten Sulfatierungsgrades der GAG-Derivate auf die bFGF-Wechselwirkung mit FGFR1IIIc hin. Tetramere GAGs waren ebenfalls ausreichend, um die VEGF165- und bFGF-Rezeptorbindung zu stören. Mit zunehmendem Sulfatierungsgrad und Länge des Derivats wurde der Blockierungseffekt verstärkt. Die Interaktion von VEGF165 mit sHA3 und die anschließende Blockierung der VEGFR-2-Bindung führte zu einer verminderten Phosphorylierung von VEGFR-2. In einem 3D in vitro-Angiogenese-Assay zeigte sich darüber hinaus eine verminderte VEGF165- bzw. bFGF-vermittelte Sprossung von Endothelzell-Sphäroiden durch hochsulfatierte GAGs. Die Angiogenese wurde jedoch nicht vollständig inhibiert. Interessanterweise induzierten GAG-Derivate unabhängig von den untersuchten angiogenen Wachstumsfaktoren die Sprossung von Endothelzell-Sphäroiden. Es konnte gezeigt werden, dass VEGFR-2 nicht an der proangiogenen Wirkung von sulfatierten GAGs beteiligt ist, während die Blockierung von FGFR1 die proangiogene Wirkung von sCS3 und sHA3 hemmt. GAG-Derivate könnten FGFR1 direkt aktivieren, da in SPR-Experimenten gezeigt wurde, dass sie an den Rezeptor binden. Andererseits könnte der beobachtete Effekt auch auf eine erleichterte Rezeptordimerisierung mit einer anschließenden verstärkten Ligandenbindung oder die Wechselwirkung mit intrazellulären Targets nach GAG-Internalisierung zurückzuführen sein. Dies muss in weiteren Experimenten geklärt werden. Die Ergebnisse weisen auf die Wichtigkeit der Reihenfolge der Bindungsereignisse hin, da die Bindung von GAG-Derivaten an Wachstumsfaktoren, Rezeptoren oder beide Komponenten zu unterschiedlichen zellulären Konsequenzen hinsichtlich der Signalgebung führt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass GAG-Derivate unterschiedliche molekulare Mechanismen nutzen, um zelluläre Prozesse direkt oder indirekt über die Bindung von Wachstumsfaktoren zu modulieren und tragen zu einem tieferen Verständnis ihrer Wirkungsweise bei. Dies könnte wiederum eine Abstimmung der Biomaterial-zusammensetzung auf patientenspezifische Bedürfnisse ermöglichen. GAG-haltige Bio-materialien sind vielversprechend für eine Verminderung TGF-β1-gesteuerter lokaler Hautfibrose, da sie die Bioaktivität von TGF-β1 reduzieren. In Bezug auf die inhibitorischen Effekte auf die VEGF165- und bFGF-Signaltransduktion könnten GAGs mit übermäßiger Angiogenese, die bei rheumatoider Arthritis und diabetischer Retinopathie auftritt, interferieren. Ob diese in vitro-Ergebnisse zur Steuerung der biologischen Aktivität von TGF-β1, VEGF165 und bFGF oder zur direkten Stimulation der Angiogenese unabhängig von Wachstumsfaktoren genutzt werden können, muss in vivo validiert werden.Age-related pathologies, like chronic wounds and impaired fracture healing are a consequence of a longer life expectancy in our aging population and are associated with considerable clinical and socioeconomic burdens. To improve the wound healing capacity of patients, the development of new adaptive biomaterials to selectively control and promote bone and skin regeneration is essential. A promising approach for the design of such biomaterials incorporates elements of the extracellular matrix (ECM) that play a role in tissue regeneration. Glycosaminoglycans (GAGs) are major ECM components known to interact with important mediator proteins, thereby influencing their biological activity and subsequently cellular processes. However, native GAGs like heparan sulfate have a limited utility for biomedical applications due to their restricted availability, batch-to-batch variability and source-dependent biological activity. For this reason, chemically modified hyaluronan (HA) and chondroitin sulfate (CS) derivatives with defined properties regarding the carbohydrate backbone, the degree of sulfation and the sulfation pattern are preferable for studying their structure-function relationship in the interaction with mediator proteins and cells relevant to healing processes. The aim of the present study was to investigate how GAGs influence cellular processes - directly or indirectly by binding growth factors – and particularly how the sugar backbone as well as the sulfation degree and pattern of GAG derivatives influence the interaction and thus the biological activity of transforming growth factor (TGF)-β1, and the angiogenic mediators vascular endothelial growth factor (VEGF)165 and basic fibroblast growth factor (bFGF). Sulfated HA (sHA) and CS derivatives were reported to strongly interact with growth factors like bone morphogenetic proteins (BMP)-2/-4 and transforming growth factor (TGF)-β1. The bioactivity of the latter was impaired in the presence of highly sulfated HA (sHA3), the underlying mechanism of which is so far not fully elucidated. In the present thesis the interaction of all components of the TGF-β1:receptor complex with sHA was examined by surface plasmon resonance (SPR), showing that pre-incubation of TGF-β1 with sHA derivatives blocked the binding of TGF-β1 in particular to TGF-β receptor (TβR)-I, but also to TβR-II. In sequential SPR experiments that mimicked the in vivo TGF-β1:receptor complex formation more closely, however, recruitment of TβR-I to the TβR-II/TGF-β1 complex was significantly stronger if the complex contained sHA3. GAGs thus exert a dual blocking effect on TGF-β1:receptor complex formation, with the effects strongly depending on the order of binding events. The bioactivity of TGF-β1 in conjunction with sHA at the receptor level, which was investigated here for the first time, showed a decrease of phosphorylation for TβR-I and the TβR-I-regulated effector protein Smad2 in the presence of sHA3, indicating of the formation of an inactive signaling complex. Also analyzed was the structure-function relationship of HA and CS derivatives in their interaction with the most important angiogenic growth factors, namely vascular endothelial growth factor (VEGF)165 and basic fibroblast growth factor (bFGF). The aim was both to identify structural properties that contribute to an interaction and to determine the biological consequences of growth factor/GAG interaction. Both growth factors showed a sulfation-dependent interaction with GAG derivatives in SPR binding analysis. Unlike bFGF, VEGF165 also showed a clear preference for sHA compared to CS derivatives, indicating that the interaction with this growth factor is not only impacted by the degree of sulfation but also by the carbohydrate backbone of the GAG. sHA tetramers were sufficient to interact with VEGF165 and bFGF in SPR measurements. The position of sulfation appears to play an important role in the interaction with both angiogenic growth factors, as the binding strength of the sHA tetrasaccharide with no C6-sulfation of the N-acetylglucosamine (GlcNAc) was lower compared to a derivative exclusively sulfated at the C6 position. Interestingly, binding of tetrameric persulfated HA (psHA) was stronger compared to hexameric psHA, indicating that the tetrasaccharide is able to bind to additional regions of VEGF165 and bFGF. Binding of VEGF165 and bFGF to their respective receptors VEGF receptor (VEGFR)-2 and FGF receptor (FGFR) 1 decreased if the growth factors were pre-incubated with sulfated GAGs in SPR studies. For VEGF165, an influence of the carbohydrate backbone was visible again, since the inhibition of growth factor binding to VEGFR-2 by sHA derivatives was stronger than for CS derivatives with comparable degree of sulfation. For bFGF/FGFR1IIIc interaction, sulfation of the C6 position in GlcNAc of low-sulfated sHA had a stronger impact compared to the C4 sulfation in GlcNAc of CS, while blocking capacity of sCS3 and sHA3 was similar. This suggests a minor influence of the carbohydrate backbone on bFGF interaction with FGFR1IIIc in the presence of GAG derivatives, but a major influence of the overall degree of sulfation. Tetrameric GAGs were already sufficient to interfere with VEGF165 and bFGF receptor binding, but the blocking effect was enhanced with increasing sulfation and chain length of the derivative. The interaction of VEGF165 with sHA3 and the subsequent blocking of VEGFR-2 binding led to an impaired phosphorylation of VEGFR-2. Furthermore, the induction of endothelial cell spheroid sprouting mediated via VEGF165 or bFGF was diminished by high sulfated GAGs as displayed in a 3D in vitro angiogenesis assay. However, angiogenesis was not completely abolished. Interestingly, GAG derivatives induced the sprouting of endothelial cell spheroids independent of the studied angiogenic growth factors. It could be shown that VEGFR-2 is not involved in the pro-angiogenic action of sulfated GAGs, while FGFR1 appears to play a role as blocking it inhibited the pro-angiogenic effect of sCS3 and sHA3. GAG derivatives might directly activate FGFR1 as they bound to the receptor in SPR experiments, but the observed effect might also be due to facilitated receptor dimerization with a subsequent enhanced ligand binding, or to an interaction with intracellular targets after GAG internalization; this needs to be clarified in further experiments. Findings point to the importance of the order of binding events, as binding of GAG derivatives to growth factors, receptors or both leads to different cellular outcomes regarding signaling. Results of the present thesis show that GAG derivatives employ different molecular mechanisms to modulate cellular processes – both directly or indirectly via growth factor binding - and contribute to a deeper understanding of their mode of action, which might allow to tune the biomaterial composition to patient-specific needs. GAG-containing biomaterials are promising candidates to interfere with TGF-β1-driven local skin fibrosis, as they reduce the bioactivity of TGF-β1. Concerning the inhibitory effects on VEGF165 and bFGF signaling, an application of GAGs to interfere with the excessive angiogenesis, occurring in rheumatoid arthritis and diabetic retinopathy could be of interest. Whether these in vitro findings can be used to control the biological activity of TGF-β1, VEGF165 and bFGF or to directly stimulate angiogenesis independent of growth factors needs to be validated in vivo