Entwicklung und diagnostische Anwendung eines neuen Nachweisverfahrens zur Bestimmung und Charakterisierung von Autoantikörpern gegen den Insulin-like Growth Factor 1 Rezeptor

Autoantibodies (aAb) are characteristic for autoimmune diseases. Specific aAb are often found both in diseased and apparently healthy individuals and may precede pathological symptoms. The contribution of thyrotropin receptor (TSHR) stimulating aAb to the progression of Graves´ Orbitopathy (GO) is widely accepted. The coexistence of stimulating insulin-like growth factor 1 receptor (IGF1R) aAb in GO patients was hypothesized and tested in the present study. As no method for routine testing was available, a suitable non-radioactive test was established to evaluate IGF1R-aAb in human sera and test the hypothesis. As a first step, an IGF1R-aAb precipitation assay for detection and reliable quantification of these aAb was developed. This work package included the genetic engineering and expression of the recombinant antigen, its purification and characterization, the definition of a standardized operating procedure, and the adaptation of the assay format for future routine use. Assay development also includes the generation and purification of monoclonal antibodies (mAb) to the IGF1R, needed for standardization and supplementary characterization of the assay. A central part of this work focuses on the clinical, biological and molecular role of IGF1R aAb. To this end, aAb were purified from human sera and characterized in vitro. The IGF1R- aAb inhibit signal transduction via the IGF1R directly and acted as antagonists of IGF1-induced proliferation of MCF7 breast cancer cells in culture An analysis of IGF1R protein domains indicates that IGF1R aAb in human sera are polyclonal and often recognize conformational epitopes. As IGF1R aAb were detected with a prevalence of approx. 10% in human subjects, and immunoglobulins are known to contain two antigen binding sites, a second more direct and convenient assay type was developed for routine diagnostic use. A cohort of GO patients were analyzed yielding a prevalence of 10% positive IGF1R-aAb carriers, but not different from the prevalence in healthy controls. Moreover, IGF1R-aAb were not stimulating the IGF1R. Hence, the initial hypothesis that IGF1R-Ab contribute to GO pathogenesis needs to be rejected as it was not supported by the data. Nevertheless, this study demonstrates a high prevalence of aAb against the IGF1R in pathological samples and apparently healthy subjects as well, which might be of clinical importance given the central role of IGF1 in growth, metabolism and disease. In cooperation with a fellow PhD student who established an analogous assay for the structurally- related insulin receptor (IR), an analysis of the specificity of the IGF1R-aAb was performed. We realized that roughly 50% of IGF1R-aAb positive samples cross-reacted with the IR, highlighting their potential clinical importance for a specific form of diabetes mellitus, i.e., autoimmune type B insulin resistance. Further studies with samples from well characterized samples, respective pre- and diabetic patients, and controls are needed to clarify this notion. Collectively, two novel analytical assays for the identification and quantification of IGF1R-aAb were successful established and characterized. With these tools, the prominent hypothesis on the causal importance of stimulating IGF1R-aAb for the development and course of GO was tested and rejected. However, the high prevalence of IGF1R-aAb in diseased and healthy donors, the antagonistic nature, and the cross-reactivity of these aAb to the IR, indicate their potential relevance in certain forms of insulin resistance, metabolism or growth deficiencies, which needs to be clarified in future studies.Autoantikörper (aAb) sind charakteristisch für Autoimmunkrankheiten. Spezifische aAb werden häufig in erkrankten, aber häufig auch in gesunden Personen gefunden, wobei sie pathologischen Symptomen vorangehen oder diese kausal begründen können. Die Beteiligung von stimulierenden Thyrotropin- Rezeptor (TSHR) aAb im Krankheitsverlauf von Graves´ Orbitopathie (GO) ist weitreichend anerkannt. Als Hypothese wurde auch von vielen Experten akzeptiert, dass stimulierende aAb gegen den Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktor 1 Rezeptor (IGF1R) in Patienten mit GO auftreten und diese aAb den Exophthalmus verursachen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Hypothese experimentell überprüft. Da derzeit aber kein Verfahren für den routinemäßigen Nachweis von IGF1R-aAb verfügbar ist, wurde ein geeignetes, nicht-radioaktives Nachweisverfahren entwickelt, um IGF1R-aAb in humanen Seren von GO Patienten und Kontrollen zu bestimmen und die aufgestellte Hypothese zu testen. Der erste Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines IGF1R-aAb Präzipitationsassays für den Nachweis und die verlässliche Quantifizierung dieser aAb. Hierfür musste eine genetische Herstellung und Expression des rekombinanten Antigens, sowie dessen Aufreinigung und Charakterisierung erfolgen. Abgeschlossen wurde dieses Arbeitspaket mit der Entwicklung und Definition eines standardisierten Protokolls zur Darstellung dieser zentralen Assaykomponente und die Adaptierung des Assayformats für eine routinemäßige Anwendung. Die Entwicklung des Nachweisverfahrens beinhaltete zudem die Generierung und Aufreinigung monoklonaler Antikörper (mAb) zum Antigen IGF1R, die für eine Standardisierung und die erweiterte Charakterisierung des Assays erforderlich sind. Der zweite und zentrale Teil dieser Arbeit beinhaltet die Charakterisierung der klinischen, biologischen und molekularen Bedeutung der IGF1R-aAb. Hierfür wurden aAb aus humanen Seren isoliert und in vitro charakterisiert. Es wurde eine direkte Inhibierung der Signaltransduktion über den IGF1R durch die IGF1R-aAb nachgewiesen. Zusätzlich konnte die direkte Wirkung von IGF1R-aAb als Antagonisten zur IGF1-induzierten Zellproliferation von MCF7 Brustkrebszellen in der Zellkultur gezeigt werden. Zur weiteren Charakterisierung wurde eine Feinanalyse mit rekombinanten Proteindomänen des IGF1R durchgeführt. Es zeigte sich, dass die IGF1R-aAb in humanen Seren polyklonal vorliegen und auch Konformationsepitope des Antigens erkennen. Da IGF1R-aAb mit einer Prävalenz von ca. 10% in humanen Testpersonen vorkommen und bekannt ist, dass Immunoglobuline zwei Antigen-Bindestellen besitzen, sollte zusätzlich ein weiteres Assaysystem für die routinemäßige und schnellere Diagnostikanwendung entwickelt werden. Der entwickelte IGF1R-aAb Präzipitationsassay wurde als Methode zur Bestimmung von IGF1R-aAb in einer Kohorte pathologischer GO Patienten angewendet. Es wurde wiederum eine Prävalenz von 10% positiver IGF1R-aAb Träger nachgewiesen, welche sich somit nicht von der Prävalenz bei gesunden Menschen unterschied. Des Weiteren wurde festgestellt, dass diese IGF1R-aAb nicht stimulierend sondern antagonisierend auf den IGF1R wirken. Die Hypothese, dass IGF1R-aAb entscheidend zur Pathogenese von GO beitragen, wird somit von diesen Ergebnissen nicht gestützt und muss dementsprechend verworfen werden. Gleichwohl wurde in weiteren Vermessungen die relativ hohe Prävalenz von aAb gegen den IGF1R bestätigt, was hinsichtlich der zentralen Rolle von IGF1 für Wachstum, Metabolismus und Onkologie auf eine potentiell bedeutende klinische Relevanz der IGF1R-aAb hindeutet. In Kooperation mit einem Kollegen, der ein analog funktionierendes Nachweissystem für den strukturell ähnlichen Insulinrezeptor (IR) etabliert hatte, gelang ein detaillierter Vergleich der Kreuzreaktivität dieser aAb und die Identifizierung immunopositiver Probanden mit sowohl IGF1R- als auch IR- aAb. Hierbei konnten wir eine Kreuzreaktion bei ca. 50% der positiven Seren feststellen. Für eine grundlegende Einordnung dieser Ergebnisse und der pathologischen Relevanz der aAb ist die Vermessung weiterer Humanstudien mit Proben gut charakterisierter Probanden notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden somit zwei neue analytische Nachweisverfahren zur Identifizierung und Quantifizierung von IGF1R-aAb entwickelt, etabliert und charakterisiert. Die weit verbreitete Annahme, dass stimulierende IGF1R-aAb als Mitursache von Graves´ Orbitopathie angesehen werden müssen, konnte in dieser Arbeit widerlegt werden. Die festgestellte relativ hohe Prävalenz von IGF1R-aAb in Patienten und scheinbar gesunden Kontrollprobanden, deren antagonistische Wirkung am IGF1R, und die Kreuzreaktivität zum IR, sprechen für eine pathophysiologische Relevanz der IGF1R-aAb in der klinischen Diagnostik. Die in dieser Arbeit neu etablierten Assays können in Zukunft geeignet sein, um eine bessere Einordnung und Diagnostik bestimmter Formen von Insulinresistenz, sowie Wachstums- und Stoffwechselstörungen vorzunehmen. Gegebenenfalls werden sie sich auch als sinnvolle Methode bei stratifizierenden Verfahren in der Therapie erweisen

Antagonistic Autoantibodies to Insulin-Like Growth Factor-1 Receptor Associate with Poor Physical Strength

Natural autoantibodies to the IGF1 receptor (IGF1R-aAb) have been described in relation to Graves' ophthalmopathy. Other physiological roles of natural IGF1R-aAb are not known. We hypothesized that IGF1R-aAb may be related to muscle development. Serum samples (n = 408) from young overweight subjects (n = 143) were collected during a lifestyle intervention study. Anthropometric parameters, along with leptin, IGF1 and IGF1R-aAb concentrations, were analyzed, and the subjects were categorized into positive or negative for IGF1R-aAb. Eleven out of 143 subjects (7.7%) were positive for IGF1R-aAb. Identified IGF1R-aAb were molecularly characterized and showed antagonistic activity in vitro impairing IGF1-mediated IGF1R activation. Mean body weight, height or age were similar between IGF1R-aAb-positive and -negative subjects, but IGF1 concentrations differed. Jumping ability, as well as right and left handgrip strengths, were lower in the IGF1R-aAb-positive as compared to the IGF1R-aAb-negative subjects. We conclude that natural IGF1R-aAb are detectable in apparently healthy subjects and are capable of antagonizing IGF1-dependent IGF1R activation. Moreover, the presence of IGF1R-aAb is associated with poor physical strength. Although the causality of this association is unclear, the data imply a potential influence of IGF1R autoimmunity on muscle development