CN111534532A - 噬菌体药物蛋白展示系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物医药领域,具体涉及噬菌体药物蛋白展示系统及其应用。所述噬菌体药物蛋白展示系统包括工程菌与核酸载体,所述噬菌体药物蛋白展示系统能够产生展示药物蛋白的噬菌体。所述噬菌体药物蛋白展示系统利用了噬菌体展示技术,可以根据具体需要灵活的构建具有免疫检查点阻断功能的噬菌体,旨在为抗肿瘤药物的开发及肿瘤治疗提供新的思路。本发明还公开了噬菌体药物蛋白展示系统的应用,用于丰富抗肿瘤药物生产及肿瘤治疗方法。本发明提供的噬菌体药物蛋白展示系统将噬菌体自身的高免疫原性与药物蛋白的免疫检查点阻断功能相结合,增强抗肿瘤免疫反应,实现更好的免疫治疗效果。

Description

噬菌体药物蛋白展示系统及其应用
技术领域
本发明涉及生物医药领域,尤其是涉及噬菌体药物蛋白展示系统及其应用。
背景技术
肿瘤是威胁人类健康的一大难题,它是一类以细胞异常增殖为特征的疾病。传统的治疗手段有手术、化疗、放疗等,但是这些治疗方法目前仍存在许多问题,例如对正常组织和细胞具有高毒性、靶向性差、易产生耐药性,这促使人们不断研究开发新的肿瘤治疗方法。研究发现,在肿瘤细胞定植和生长早期,免疫系统可以有效的识别并破坏肿瘤细胞从而阻碍肿瘤的发展。然而随着肿瘤的发展,持续的抗肿瘤免疫反应会导致肿瘤细胞与免疫细胞表面信号分子发生改变,使得免疫细胞对癌细胞识别、杀伤能力降低,同时免疫抑制性细胞因子分泌量增加,产生免疫抑制性微环境,促使肿瘤细胞逃避机体免疫机制。帮助机体重新激活抗肿瘤免疫反应杀伤肿瘤细胞的有效方法之一是阻断免疫检查点,近年来Ipilimumab、Pembrolizumab、Atezolizumab等免疫检查点阻断剂抗体相继取得了令人瞩目的癌症治疗效果,标志着肿瘤免疫治疗新时代的到来。
噬菌体是一种能够特异性感染细菌的原核病毒,利用噬菌体进行疾病治疗已经有了近百年的历史,噬菌体在发现之初就开始用于治疗细菌感染患者,近几年耐药菌的出现和广泛传播,更是将噬菌体治疗研究推向了新的阶段。2016年和2019年美国FDA分别批准了首项个体噬菌体疗法的临床试验和静脉注射进行噬菌体疗法的首个临床试验,这标志着世界最大医药市场开放噬菌体监管途径。噬菌体由蛋白质和核酸组成,其蛋白质外壳可以用来展示外源的肽或蛋白质,该技术为抗体开发、多肽类药物研究、疫苗研制提供了重要工具,利用噬菌体展示抗原肽及药物蛋白的研究目前也正在火热进行当中。噬菌体本身具有高免疫原性,可以激活机体的免疫反应,因此噬菌体有希望成为肿瘤免疫治疗的天然佐剂,辅助抗肿瘤药物进行治疗。噬菌体在真核细胞中无法复制,其基因组中也不存在真核生物相关序列(或同源序列),不会引起重组事件,噬菌体载体在哺乳动物生物体中显示出固有的生物安全性。此外,噬菌体在各种恶劣的环境条件(如干燥、高温和极端pH环境)下具有高稳定性,易于大规模生产和操纵,因此噬菌体展示药物的开发可以帮助缩短药物生产周期,降低药物生产、贮藏和运输成本。
综上,设计免疫检查点蛋白类阻断剂的噬菌体展示系统或许能为肿瘤治疗与相关药物开发提供新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供噬菌体药物蛋白展示系统及其应用。
本发明提供的噬菌体药物蛋白展示系统不仅可以根据需要进行灵活的改造,快速获得大量的药物蛋白展示噬菌体,而且可以将噬菌体自身的高免疫原性与药物蛋白的免疫检查点阻断功能相结合,增强抗肿瘤免疫反应,实现更好的免疫治疗效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
第一方面,本发明提供一种噬菌体药物蛋白展示系统,所述系统包括工程菌与核酸载体,所述噬菌体药物蛋白展示系统能够产生展示药物蛋白的噬菌体。
在本发明的一个实施方式中,所述噬菌体包括但不局限于丝状噬菌体、T4噬菌体、T7噬菌体、λ噬菌体、MS2噬菌体、Qβ噬菌体。
进一步的,所述噬菌体的一种或多种衣壳蛋白连接有药物蛋白,所述噬菌体的衣壳蛋白上可以连接一种或多种药物蛋白。
进一步的,所述药物蛋白为特异性针对免疫检查点分子的蛋白质类抑制剂或激活剂。
进一步地,所述蛋白质类抑制剂或激活剂可与免疫检查点分子结合。
进一步地,所述免疫检查点在肿瘤细胞表面或/和免疫细胞表面异常表达。
在本发明的一个实施方式中,所述蛋白质类抑制剂或激活剂选自多肽、抗体、抗体类似物、免疫检查点受体蛋白、免疫检查点受体蛋白的突变体或其功能片段、免疫检查点配体蛋白、免疫检查点配体蛋白的突变体或其功能片段中的一种或多种。
所述工程菌为噬菌体扩增所需的宿主菌。
进一步地,所述宿主菌选择大肠杆菌。
上述的系统中,所述核酸载体上携带有药物蛋白编码基因。
进一步的,所述药物蛋白编码基因可插入在质粒中表达也可以整合在宿主基因组中表达。
即,所述核酸载体可以为携带有药物蛋白编码基因的质粒或携带有药物蛋白编码基因的噬菌体扩增所需的宿主菌。
第二方面,本发明提供噬菌体药物蛋白展示系统的应用。
本发明提供所述噬菌体药物蛋白展示系统在制备杀死肿瘤细胞、解除肿瘤微环境中的免疫抑制或诱导抗肿瘤免疫反应的药物中的应用。
进一步的,所述药物至少包含所述噬菌体药物蛋白展示系统。
进一步的,所述药物的使用方式包括但不局限于肌肉注射、静脉注射、口服、瘤内靶向给药。
本发明还提供所述噬菌体药物蛋白展示系统在制备癌症检测或诊断试剂中的应用。
进一步的,所述癌症检测或诊断试剂可检测肿瘤标志物在样品中的存在或其水平。
进一步的,所述癌症检测或诊断试剂至少包含所述噬菌体药物蛋白展示系统。
本发明还提供所述噬菌体药物蛋白展示系统的一个具体应用方式。所述噬菌体药物蛋白展示系统用于阻断肿瘤表面PD-L1配体与免疫细胞表面PD-1受体之间的相互作用。
进一步的,所述噬菌体药物蛋白展示系统用于制备阻断肿瘤表面PD-L1配体与免疫细胞表面PD-1受体之间相互作用的药物的应用。
进一步的,所述噬菌体药物蛋白展示系统产生的展示药物蛋白的噬菌体为尾部PⅢ蛋白展示人PD-1胞外段的M13噬菌体。
进一步的,所述噬菌体能特异性的结合人PD-L1的胞外段。
进一步的,所述噬菌体药物蛋白展示系统用于阻断肿瘤表面PD-L1配体与免疫细胞表面PD-1受体之间的相互作用的应用可以用于制备解除肿瘤微环境中的免疫抑制、诱导抗肿瘤免疫反应的药物中。
与现有技术相比,发明至少具有以下有益效果:
(1)本发明提供的噬菌体药物蛋白展示系统能够灵活的进行改造,可以根据治疗需要携带一种或多种药物蛋白。
(2)本发明提供的噬菌体药物蛋白展示系统将噬菌体自身的高免疫原性与药物蛋白的免疫检查点阻断功能相结合,增强抗肿瘤免疫反应,实现更好的免疫治疗效果。
(3)展示药物蛋白的噬菌体可以由大肠杆菌产生,扩增周期短,操作简单,成本低,易于实现规模化生产。
(4)噬菌体宿主为原核生物,它们的基因组中不存在真核生物相关序列(或同源序列)不会引起重组,赋予了该系统更加有利的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例2免疫印迹法验证PD-1展示噬菌体的构建;
图2为本发明实施例3ELISA检测PD-1展示噬菌体与rhPD-L1的结合活性;
图3为本发明实施例3PD-1展示噬菌体与乳腺癌细胞SkBr3的结合活性;
图4为本发明实施例4CCK-8检测乳腺癌细胞SkBr3的存活率;
图5为本发明实施例4ELISA检测共培养体系中IFN-γ的分泌量。
具体实施方式
本发明提供一种噬菌体药物蛋白展示系统,所述系统包括工程菌与核酸载体,所述噬菌体药物蛋白展示系统能够产生展示药物蛋白的噬菌体。
在其中一个实施方式中,所述噬菌体包括但不局限于丝状噬菌体、T4噬菌体、T7噬菌体、λ噬菌体、MS2噬菌体、Qβ噬菌体。
所述噬菌体的一种或多种衣壳蛋白连接有药物蛋白,所述噬菌体的衣壳蛋白上可以连接一种或多种药物蛋白。
所述药物蛋白为特异性针对免疫检查点分子的蛋白质类抑制剂或激活剂。
所述蛋白质类抑制剂或激活剂可与免疫检查点分子结合。
所述免疫检查点在肿瘤细胞表面或/和免疫细胞表面异常表达。
在其中一个实施方式中,所述蛋白质类抑制剂或激活剂选自多肽、抗体、抗体类似物、免疫检查点受体蛋白、免疫检查点受体蛋白的突变体或其功能片段、免疫检查点配体蛋白、免疫检查点配体蛋白的突变体或其功能片段中的一种或多种。
所述工程菌为噬菌体扩增所需的宿主菌。
在其中一个实施方式中,所述宿主菌选择大肠杆菌。
上述的系统中,所述核酸载体上携带有药物蛋白编码基因。
所述药物蛋白编码基因可插入在质粒中表达也可以整合在宿主基因组中表达。
本发明提供噬菌体药物蛋白展示系统的应用。
在其中一个实施方式中,提供所述噬菌体药物蛋白展示系统在制备杀死肿瘤细胞、解除肿瘤微环境中的免疫抑制或诱导抗肿瘤免疫反应的药物中的应用。
所述药物至少包含所述噬菌体药物蛋白展示系统。
所述药物的使用方式包括但不局限于肌肉注射、静脉注射、口服、瘤内靶向给药。
在其中一个实施方式中,还提供所述噬菌体药物蛋白展示系统在制备癌症检测或诊断试剂中的应用。
所述癌症检测或诊断试剂可检测肿瘤标志物在样品中的存在或其水平。
所述癌症检测或诊断试剂至少包含所述噬菌体药物蛋白展示系统。
在其中一个实施方式中,还提供所述噬菌体药物蛋白展示系统的一个具体应用方式。所述噬菌体药物蛋白展示系统用于阻断肿瘤表面PD-L1配体与免疫细胞表面PD-1受体之间的相互作用。
进一步的,所述噬菌体药物蛋白展示系统产生的展示药物蛋白的噬菌体为尾部PⅢ蛋白展示人PD-1胞外段的M13噬菌体。
进一步的,所述噬菌体能特异性的结合人PD-L1的胞外段。
进一步的,所述噬菌体药物蛋白展示系统用于阻断肿瘤表面PD-L1配体与免疫细胞表面PD-1受体之间的相互作用的应用可以用于制备解除肿瘤微环境中的免疫抑制、诱导抗肿瘤免疫反应的药物中。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例中所用试剂:Super-Fidelity DNA聚合酶购自南京诺维赞生物科技有限公司,重组酶、CCK-8检测液购自上海翊圣生物科技有限公司,Pvu Ⅱ限制性内切酶、NotⅠ限制性内切酶、Anti-CD3、Anti-CD28单克隆抗体购自Takara,大肠杆菌ER2738购自北京天恩泽基因科技有限公司,pSEX81质粒、M13KO7ΔPⅢ辅助噬菌体购自Progen,Anti-M13 PⅢ单克隆抗体购自New England Biolabs,Anti-M13 PⅧ单克隆抗体购自Abcam,rhIFN-γ、Anti-PD-1、Anti-PD-L1单克隆抗体购自Proteintech,rhPD-L1、HRP标记二抗购自CellSignaling Technology,IFN-γELISA试剂盒购自北京义翘神州科技有限公司,rhIL-2购自上海索莱宝生物科技有限公司,其余试剂均为常规试剂。
实施例1.核酸载体构建
利用NCBI数据库检索人PD-1基因序列,选取PD-1蛋白胞外段(aa21-170)的编码基因,根据大肠杆菌密码子偏好进行序列优化,优化好的核苷酸序列委托上海睿勉生物科技有限公司进行基因合成。
设计PD-1蛋白胞外段基因扩增所用的上下游引物P1和P2:
P1:GCCATGGCCCAGGTGCAGCTGCCGGGTTGGTTCCTGGACTCTCCG
P2:CTGATATCTTTGGATCCAGCGGCCGCACCAACCAGGGTCTGGAACTGACCAG
以合成的PD-1基因为模板,使用Super-Fidelity DNA聚合酶,通过PCR扩增目的基因。PCR反应体系为:25μL buffer、20μL ddH2O、1μL dNTP、1μL引物P1、1μL引物P2、1μL模板、1μL高保真DNA聚合酶。PCR反应程序为:95℃预变性5min,95℃变性20s,60℃退火30s,72℃延伸30s,从变性到延伸的过程循环30次,循环结束后72℃延伸10min。PCR产物取出5μL进行琼脂糖电泳验证,剩余45μL使用PCR产物纯化试剂盒进行纯化。
质粒37℃水浴酶切3h,酶切体系为:5μL M buffer、2μL PvuⅡ限制性内切酶、2μLNotⅠ限制性内切酶、40μL pSEX81质粒、1μL ddH2O。酶切产物加入6μL DNA loading buffer混匀后跑琼脂糖电泳,切下正确的条带,用胶回收试剂盒进行线性质粒回收。
将得到的目的基因和线性质粒通过同源重组连接,重组反应条件为:5μL重组酶、4μL目的基因、1μL线性质粒混匀后50℃水浴20min。将连接产物热激转入ER2738感受态中,涂布LB固体培养基(含2%琼脂粉、100μg/mL氨苄青霉素、100mM葡萄糖)后放37℃培养箱过夜培养,待长出肉眼可见的单菌落后挑选单克隆送测序,保留测序正确的单克隆即可获得pSEX81-PD-1质粒。
实施例2.PD-1展示噬菌体的构建
取500μL携带pSEX81-PD-1质粒的ER2738菌种接种至50mL 2YT培养基(含100μg/mL氨苄青霉素、100mM葡萄糖)中,37℃220rpm震荡培养至OD600=0.5。加入M13KO7ΔPⅢ辅助噬菌体(大肠杆菌数与噬菌体数比值为20:1)混匀,37℃培养箱中静置培养20min,再置于37℃摇床中220rpm震荡培养45min使大肠杆菌获得卡那霉素抗性。将菌液倒入离心管中4℃2000g离心10min后弃上清,加入50mL新鲜2YT培养基(含100μg/mL氨苄青霉素、50μg/mL卡那霉素)重悬菌体,置于37℃摇床中220rpm震荡培养过夜。
收集菌液4℃2000g离心10min,将上清液用0.22μm无菌滤头过滤除菌,取44ml滤液转移至新的无菌离心管中,加入11ml PEG6000/NaCl溶液(20%(w/v)PEG6000、3.3mM NaCl)混匀,冰上静置1h以上。4℃10000g离心45min弃上清,沉淀用1mL冰PBS重悬后转移至EP管中,4℃10000g离心10min去除细胞碎片。噬菌体悬液加1/4体积的PEG6000/NaCl溶液混匀冰上静置1h以上,4℃10000g离心45min弃上清,沉淀用1mL冰PBS重悬后转移至新EP管中。
洗涤后的噬菌体悬液中加入2%(w/v)Triton-114,冰上降温混匀后4℃静置30min,静止期间每5分钟混匀一次,30℃水浴30min,水浴期间每5min混匀一次,20℃10000g离心15min,小心移出上清水相放于新的离心管中。重复上述过程一次,该去内毒素过程中所用的耗材均为无热源耗材。
以鼠源Anti-PD-1、Anti-M13PⅧ、Anti-M13PⅢ作为一抗,HRP标记的山羊抗鼠lgG(H+L)抗体作为二抗,通过免疫印迹法验证PD-1展示噬菌体的构建结果(附图1)。
将空载大肠杆菌ER2738培养至OD600=0.5,噬菌体样品进行10倍梯度稀释,取50μL噬菌体稀释液加入到950μL菌液中混匀,37℃培养箱中静置培养20min,再置于37℃摇床中220rpm震荡培养45min使大肠杆菌获得氨苄青霉素抗性,取100μL涂布2YT固体培养基(含2%琼脂粉、100μg/mL氨苄青霉素),放37℃培养箱过夜培养,待长出肉眼可见的单菌落后,挑选菌落数量合适的平板进行菌落计数,根据之前的稀释倍数换算噬菌体样品的浓度。
实施例3.PD-1展示噬菌体的结合特异性
用稀释缓冲液(100mM NaHCO3,pH 8.6)将PD-1展示噬菌体和辅助噬菌体分别稀释至1010pfu/mL,各取100μL加入到96孔酶标板的孔中,放入4℃冰箱过夜孵育。TBST(PBS+0.5%吐温20)洗涤5次,每孔加200μL封闭液(含5%BSA的TBST)37℃封闭1小时。TBST洗涤5次,将rhPD-L1稀释至1μg/mL,每孔加100μL置于37℃孵育1h。TBST洗涤5次,将鼠源Anti-PD-L1单抗按照1:2000的比例用TBST稀释,每孔加100μL置于37℃孵育1h。TBST洗涤5次,将HRP标记的山羊抗鼠二抗按照1:5000的比例用TBST稀释,每孔加100μL置于37℃孵育1h。TBST洗涤5次,每孔加100μL TMB ELISA显色液,37℃孵育15分钟后加入50μL 2M硫酸终止反应。用酶标仪在450nm波长下测定吸光度,结果如附图2所示。附图说明,相比对照组的辅助噬菌体,PD-1展示噬菌体可以与重组人源PD-L1蛋白(rhPD-L1)特异性结合。
用PBS将PD-1展示噬菌体和辅助噬菌体稀释至1010pfu/mL。胰酶消化收集SkBr3细胞,计数后将细胞稀释至6×104个/mL,在24孔细胞培养板中每孔加1mL细胞悬液,37℃、5%CO培养箱中培养过夜使细胞贴壁。吸出孔板中的培养基,用PBS洗涤孔板三次,将两种噬菌体稀释液按照200μL/孔分别加入孔板中,37℃孵育2h。吸出孔板中的噬菌体稀释液,用PBS洗涤孔板三次,加入200μL OD600=0.5的ER2738菌液,37℃孵育1h。吸出菌液,对菌液进行10倍梯度稀释,将稀释液涂布在2YT固体培养基(含2%琼脂粉、100μg/mL氨苄青霉素)上,放37℃培养箱过夜培养,待长出肉眼可见的单菌落后,挑选菌落数量合适的平板进行菌落计数,根据菌液的稀释倍数换算细胞表面结合噬菌体的数量。结果如附图3所示。附图说明,相比对照组的辅助噬菌体,PD-1展示噬菌体可以通过尾部展示的PD-1胞外段与细胞特异性结合。
实施例4.PD-1展示噬菌体逆转免疫抑制的作用
胰酶消化收集SkBr3细胞,计数后取2×105个细胞加入含有5mL DMEM培养基的T25方瓶中,置于37℃、5%CO2培养箱中培养过夜使细胞贴壁。在方瓶中加入终浓度为10ng/mL的rhIFN-γ,继续培养24h诱导SkBr3细胞表面PD-L1过表达。将来自健康供者的人PBMC(外周血单个核细胞)以2×106个/mL重悬于RPMI-1640培养基中,加入1μg/mL的Anti-CD3单克隆抗体、2μg/mL的Anti-CD28单克隆抗体和200U/mL的rhIL-2,置于37℃、5%CO2培养箱中培养24h诱导活化。
收集诱导结束的PBMC与SkBr3细胞,PBS缓冲液清洗三次,用RPMI-1640培养基重悬细胞。96孔板中每孔加入8×103个SkBr3细胞、1.6×105个PBMC,将PD-1展示噬菌体以终浓度为108、107、106pfu/mL分别加入各孔中混匀,每孔最终的工作体积为100μL,置于37℃、5%CO2培养箱中培养24h。共培养结束后,吸出每孔培养基4℃保存,用CCK-8试剂盒检测细胞活力(附图4)。将共培养体系的培养基进行适当稀释,用IFN-γELISA试剂盒检测培养基中的IFN-γ含量(附图5)。实验结果表明,PD-1展示噬菌体可以逆转免疫抑制,噬菌体浓度越高,IFN-γ分泌量越大,PBMC对SkBr3细胞杀伤效果越好。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种噬菌体药物蛋白展示系统,其特征在于,所述噬菌体药物蛋白展示系统包括工程菌与核酸载体,所述噬菌体药物蛋白展示系统能够产生展示药物蛋白的噬菌体。
2.根据权利要求1所述噬菌体药物蛋白展示系统,其特征在于,所述噬菌体包括但不局限于丝状噬菌体、T4噬菌体、T7噬菌体、λ噬菌体、MS2噬菌体、Qβ噬菌体。
3.根据权利要求1所述噬菌体药物蛋白展示系统,其特征在于,所述噬菌体的一种或多种衣壳蛋白连接有一种或多种药物蛋白;
所述药物蛋白为特异性针对免疫检查点分子的蛋白质类抑制剂或激活剂,所述蛋白质类抑制剂或激活剂能够与免疫检查点分子结合;
所述免疫检查点在肿瘤细胞表面或/和免疫细胞表面异常表达。
4.根据权利要求3所述噬菌体药物蛋白展示系统,其特征在于,所述蛋白质类抑制剂或激活剂选自多肽、抗体、抗体类似物、免疫检查点受体蛋白、免疫检查点受体蛋白的突变体或其功能片段、免疫检查点配体蛋白、免疫检查点配体蛋白的突变体或其功能片段中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述噬菌体药物蛋白展示系统,其特征在于,所述工程菌为噬菌体扩增所需的宿主菌。
6.根据权利要求1所述噬菌体药物蛋白展示系统,其特征在于,所述核酸载体上携带有药物蛋白编码基因;
所述核酸载体选择携带有药物蛋白编码基因的质粒或携带有药物蛋白编码基因的噬菌体扩增所需的宿主菌。
7.权利要求1-6中任一项所述噬菌体药物蛋白展示系统的应用,其特征在于,所述噬菌体药物蛋白展示系统在制备杀死肿瘤细胞、解除肿瘤微环境中的免疫抑制或诱导抗肿瘤免疫反应的药物中的应用。
8.权利要求1-6中任一项所述噬菌体药物蛋白展示系统的应用,其特征在于,所述噬菌体药物蛋白展示系统在制备癌症检测或诊断试剂中的应用;
所述癌症检测或诊断试剂能够检测肿瘤标志物在样品中的存在或其水平;
所述癌症检测或诊断试剂至少包含所述噬菌体药物蛋白展示系统。
9.权利要求1-6中任一项所述噬菌体药物蛋白展示系统的应用,其特征在于,所述噬菌体药物蛋白展示系统用于制备阻断肿瘤表面PD-L1配体与免疫细胞表面PD-1受体之间相互作用的药物的应用。
10.权利要求9所述噬菌体药物蛋白展示系统的应用,其特征在于,所述噬菌体药物蛋白展示系统产生的展示药物蛋白的噬菌体为尾部PⅢ蛋白展示人PD-1胞外段的M13噬菌体;
所述噬菌体能特异性的结合人PD-L1的胞外段。
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