CN1348005A - 重构、靶向半胱天冬酶基因的制备及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了构建具有自发活性的重构半胱天冬酶基因及其用途,用于杀伤肿瘤细胞,通过肿瘤内注射该基因的表达载体,促进肿瘤细胞凋亡。将抗肿瘤表面抗原erbB2/HER2的抗体、绿脓杆菌外毒素(PE)转膜结构域和重构caspase融合构建靶向重构半胱天冬酶,通过(1)转化患者外周血T淋巴细胞或肿瘤细胞,回输患者后分泌产生该酶,(2)肿瘤组织局部注射该酶的重组腺病毒表达载体,(3)纯化并注射靶向半胱天冬酶蛋白,识别和杀伤HER2阳性肿瘤细胞。

Description

重构、靶向半胱天冬酶基因的制备及其用途

一、技术领域

本发明涉及生物技术领域的基因工程，具体涉及构建具有自发活性的靶向、重构半胱天冬酶基因及其用途，用于杀伤肿瘤细胞。

二、背景技术：

肿瘤是当今社会威胁人类健康的最严重的疾病之一，临床上多通过手术、放疗、化疗等方法进行治疗，但在大多数情况下，这些治疗方法不能从根本上治愈病痛，而且毒副作用大，因此疗效不尽如人意。基因治疗的出现给人们带来了新的希望，所谓基因治疗，就是采用基因修饰的途径，改变活细胞遗传物质，以达到彻底消除疾病目的的一种全新的治疗手段。它在治疗肿瘤、病毒性疾病(如乙肝、HIV感染等)和一些遗传、代谢类疾病等的尝试中都取得了令人鼓舞的成效，显示出良好的应用前景。

截至2001年2月，世界各国共批准基因治疗临床方案532项，涉及病人3436人，其中60％以上是针对肿瘤的。许多治疗方案在I期临床实验中取得了显著疗效，有少数已进入II期甚至III期临床。但是，这些方案远不能满足临床治疗的需要，迄今仍然没有成熟的基因治疗产品问世。

目的基因和受体细胞的选择是肿瘤基因治疗的关键环节。目前用于肿瘤基因治疗的基因包括细胞因子基因，肿瘤抑制基因，“自杀”基因，以及外源毒素基因等。将上述基因转化肿瘤细胞并回输患者，或通过基因修饰淋巴细胞等免疫功能细胞，以增强机体的抗肿瘤免疫反应，或者直接杀伤肿瘤细胞。随着人们对细胞凋亡机理认识的深入，已有越来越多的研究者试图通过诱导肿瘤细胞凋亡的途径治疗肿瘤。

基因治疗中常用的基因转移载体分为病毒载体和非病毒载体两类，前者包括逆转录病毒、腺病毒、腺相关病毒以及单纯疱疹病毒、痘苗病毒等，而后者则有脂质体法、磷酸钙法、电穿孔法和显微注射法等可供选择。一般而言，病毒载体的危险性较大，容易造成非特异性感染，以及基因组插入突变等，而非病毒载体转化效率较低，因此，将现有病毒载体进行重组改造，降低其毒性和免疫原性，以及提高非病毒载体的基因转移效率已成当务之急。

另外，基因治疗的特异性问题也倍受关注，如何使治疗局限于肿瘤组织和细胞，而尽可能少地对正常组织带来损害，将直接决定基因治疗的效率和成败。目前多采用两种方法，一是对基因转移载体进行修饰，使之特异地将治疗基因带入肿瘤细胞；二是使治疗基因在肿瘤特异性基因表达调控元件的调控下，专一表达于肿瘤细胞中。但这两种方法在实际应用中均不理想。

总之，目前尚缺乏能够高效、特异地杀伤肿瘤细胞，而且尽可能小地对系统带来毒副作用的基因治疗方案。

三、发明内容

本发明的目的是将半胱天冬酶等细胞凋亡机制引入肿瘤，获得一类效率高、毒副作用小的靶向和重构半胱天冬酶基因，高效地杀伤肿瘤细胞。

细胞凋亡是机体细胞在生长发育中或病理状态下存在的一种自发的程序化的死亡过程。半胱天冬酶(caspase)的切割活化是不同细胞凋亡途径中共同的下游事件。Caspase在细胞中以酶原形式存在，活化后作用于多种蛋白质底物，引起细胞凋亡。Caspase-3，-6，-7是细胞凋亡最重要的执行分子，它们的活化可以高效地不可逆地诱导细胞凋亡。研究表明，将caspase-3，-6，-7的大小亚基颠倒可以得到具有天然活性的caspase分子。

人原癌基因erbB2/neu/HER2编码一种1255个氨基酸残基构成的受体酪氨酸蛋白激酶，属表皮生长因子样受体家族。ErbB2蛋白在乳腺癌、卵巢癌及胃癌等多种恶性肿瘤中，由于基因放大、转录激活等原因表达水平高出正常细胞上百倍，成为一种重要的肿瘤标记物。

绿脓杆菌外毒素(Pseudomonas exotoxin A，PE)是目前已知的毒性最强的细菌外毒素之一，由假单孢菌属细菌分泌，分子为包含613个氨基酸的单链多肽，由三个主要功能结构域构成：Ia(1-252位氨基酸)，主要起细胞识别和结合的作用；其中的第II结构域(253-364位氨基酸)，或253-412位氨基酸，能够使结合在细胞表面的分子内化进入细胞。

本发明采取的技术方案是：1.靶向和重构半胱天冬酶基因及其载体的构建，按以下步骤进行：

(1)基因克隆与载体构建

①培养人淋巴瘤Jurkat细胞，反转录PCR获得半胱天冬酶(caspase)-3，-6，-7基因，并经测序证实；

②用重组PCR将上述基因改造成活性蛋白形式，即重构半胱天冬酶的基因；

③将上述重构caspase基因依次与PE转膜结构域序列及抗HER2抗体基因连接，构建靶向半胱天冬酶基因，分别克隆入真核表达载体pCMV和重组腺病毒载体；

(2)体外表达和功能检测实验

①将重构半胱天冬酶基因在体外培养的肿瘤细胞中瞬时表达或诱导表达，研究其促凋亡活性；

②把肿瘤靶向半胱天冬酶基因导入体外培养的人细胞系，筛选得到阳性克隆；鉴定细胞分泌的肿瘤靶向半胱天冬酶蛋白；

③共培养实验观察分泌肿瘤靶向半胱天冬酶的建株细胞对HER-2阳性乳腺癌SKBR-3细胞和卵巢癌SKOV-3细胞的杀伤作用；

其用途是：

用抗肿瘤表面抗原erbB2/HER2的抗体、PE转膜结构域和重构型caspase-3构建治疗分子——靶向半胱天冬酶，通过以下途径应用于HER2阳性肿瘤的治疗：

①将重构和靶向半胱天冬酶的重组病毒表达载体，直接注射入肿瘤组织内部，产生抗肿瘤作用；

②用带有前导肽的靶向半胱天冬酶的基因的逆转录病毒载体转化患者的外周血T淋巴细胞，该细胞回输患者后可以分泌产生靶向重构半胱天冬酶，后者通过血液循环到达肿瘤部位，特异性地杀伤肿瘤细胞，并发挥长期的免疫监视作用；

③用与②相似的方法建立能分泌靶向半胱天冬酶的患者肿瘤细胞，通过肿瘤组织局部注射，抑制肿瘤生长；

④体外表达和纯化靶向半胱天冬酶蛋白，通过静脉或肿瘤组织局部注射，识别并杀伤肿瘤细胞。

由于被immunocasp-3基因修饰的淋巴细胞本身功能正常，回输这种细胞将可以持续分泌效应蛋白，加之caspase是细胞凋亡的直接执行者，因此对肿瘤细胞的杀伤作用效率更高；Immunocasp-3效应分子通过抗体特异性地识别肿瘤细胞，同时，2种immunocasp-3均在N端融合长的抗体和PE序列，而且它们之间没有可能发生切割断裂的位点，因而推测融合蛋白在通过血液转移过程中和进入肿瘤细胞前，由于不能正确折叠而不具有caspase-3的活性。另外，immunocasp-3主要由人源化抗体和人自身蛋白构成，不会诱发体内强烈的排异反应，而且细胞发生凋亡时不引起炎症反应，所以治疗的毒副作用较小。本研究可望为HER2阳性肿瘤的靶向基因治疗提供一种新思路。

对淋巴细胞进行基因修饰，使之分泌产生能特异性地识别和杀伤肿瘤细胞的效应分子，这一兼具细胞免疫和体液免疫特点的基因治疗策略同其它策略相比，具有明显的优势：首先，它具有长期持续性，目前采用的基因治疗策略，无论是体外修饰并回输肿瘤细胞，还是病毒载体体内直接感染，都存在治疗物在体内半寿期短、治疗持续时间有限的缺点。由于基因修饰不影响淋巴细胞的功能，因此回输这种细胞，将可以持续分泌产生效应分子，从而可以长期发挥免疫监视和杀伤作用。其次，这种治疗策略的作用较彻底，将肿瘤特异性杀伤淋巴细胞回输患者后，细胞能通过血液和淋巴循环到达肿瘤周围并进入到肿瘤组织内；另外，由于归巢的作用，这种特异性杀伤细胞能不断循环到淋巴结中定居，这对于手术无法清除的、经血行转移到远处的少量肿瘤细胞，也能有效地识别和杀伤。

四、具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例：按本发明的技术方案制备靶向重构半胱天冬酶的基因，已用于如下实验：

(1)体外实验：靶向重构半胱天冬酶的基因转染人淋巴瘤Jurkat细胞，并筛选得到阳性克隆，扩大培养发现被转化的Jurkat细胞生长正常，并检测到分泌到细胞外的靶向重构半胱天冬酶分子；将这种Jurkat细胞分别与HER2阳性的人卵巢癌SKOV-3细胞和乳腺癌SKBR3细胞，以及不表达HER2的人宫颈癌HeLa细胞共培养，结果表明，共培养24h后HER2阳性细胞即有大量死亡，72h时对SKBR-3和SKOV-3的杀伤率分别达到83.1％和86.4％，而与上述Jurkat细胞共培养的HeLa细胞生长并未受到明显影响。电镜、DNA ladder等证实被杀伤细胞发生了凋亡。

(2)动物实验：

通过皮下注射建立HER2阳性乳腺癌SKBR-3的裸鼠模型。选取8只荷瘤裸鼠进行实验，瘤体内注射重构caspase-3的表达载体，与注射空载体的对照组相比，肿瘤生长受到显著抑制，裸鼠存活期延长，注射后20天剥瘤称重，平均抑瘤率达到88.1％。

通过靶向半胱天冬酶基因转化SKBR-3肿瘤细胞，并注射入裸鼠肿瘤部位，或直接注射该酶的重组腺病毒表达载体，初步证实了靶向重组半胱天冬酶的体内抑瘤作用。

应用其它裸鼠肿瘤模型的体内抑瘤实验实验正在进行中。

(3)临床试验

①进行重构半胱天冬酶和靶向半胱天冬酶的重组病毒载体(腺病毒、逆转录病毒)的中试生产，同时对产品进行质量控制和安全检验，包括：重组病毒产品的浓度、纯度和生物活性，感染细胞后目的基因的表达，以及其它一系列包括细菌、其它外源病毒和具有复制能力的病毒等在内的产品检测指标。

②上述产品单独或结合其它治疗方法进行抗肿瘤I期临床试验，考察产品的安全性和患者对治疗的反应；

③选择更多患者进行II期临床试验，进一步研究治疗产品的有效性；

④应用生物反应器进行大规模无血清悬浮细胞培养和病毒繁殖，产品通过层析纯化，并进行灌装和包装，使整个生产过程均符合GMP标准。(4)治疗方法：

通过上述研究和开发过程，获得3种基因治疗产品：重组腺病毒-重构半胱天冬酶基因注射液(Ad-Rca)，重组腺病毒-靶向半胱天冬酶基因注射液(Ad-Tca)，和表达靶向半胱天冬酶的重组逆转录病毒颗粒(Re-Tca)，通过以下途径之一用于肿瘤治疗：

①分别用Ad-Rca和Ad-Tca两种注射液对患者进行肿瘤组织局部注射，实施治疗。

②抽取HER2阳性肿瘤(部分乳腺癌、卵巢癌、胃癌和其它一些实体瘤)患者的外周血T淋巴细胞或肿瘤细胞，Re-Tca转化这些细胞，分离被转化细胞，将被转化的淋巴细胞和肿瘤细胞分别通过静脉注射和瘤内注射回输至患者体内，实施治疗。

临床试验和产品开发

(1)进行重构半胱天冬酶和靶向半胱天冬酶的重组病毒载体(腺病毒、逆转录病毒)的中试生产，同时对产品进行质量控制和安全检验，包括：重组病毒产品的浓度、纯度和生物活性，感染细胞后目的基因的表达，以及其它一系列包括细菌、其它外源病毒和具有复制能力的病毒等在内的产品检测指标。

(2)上述产品单独或结合其它治疗方法进行抗肿瘤I期临床试验，考察产品的安全性和患者对治疗的反应。具体试验方案有如下几种：

①将重构和靶向半胱天冬酶的重组病毒表达载体，直接注射入肿瘤组织内部，产生抗肿瘤作用；

②用带有前导肽的靶向半胱天冬酶的基因的逆转录病毒载体转化患者的外周血T淋巴细胞，该细胞回输患者后可以分泌产生靶向重构半胱天冬酶，后者通过血液循环到达肿瘤部位，特异性地杀伤肿瘤细胞，并发挥长期的免疫监视作用；

③用与②相似的方法建立能分泌靶向半胱天冬酶的患者肿瘤细胞，通过肿瘤组织局部注射，抑制肿瘤生长；

④体外表达和纯化靶向半胱天冬酶蛋白，通过静脉或肿瘤组织局部注射，识别并杀伤肿瘤细胞。

(3)选择更多患者进行II期临床试验，进一步研究治疗产品的有效性；

(4)应用生物反应器进行大规模无血清悬浮细胞培养和病毒繁殖，产品通过层析纯化，并进行灌装和包装，使整个生产过程均符合GMP标准；

(5)进行III期临床试验，并申请试生产文号和新药证书。

Claims (1)

1.靶向和重构半胱天冬酶基因及其载体的构建，按以下步骤进行：

(1)基因克隆与载体构建

①培养人淋巴瘤Jurkat细胞，反转录PCR获得半胱天冬酶(caspase)-3，-6，-7基因，并经测序证实；

②用重组PCR将上述基因改造成活性蛋白形式，即重构半胱天冬酶的基因；

③将上述重构caspase基因依次与PE转膜结构域序列及抗HER2抗体基因连接，构建靶向半胱天冬酶基因，分别克隆入真核表达载体pCMV和重组腺病毒载体；

(2)体外表达和功能检测实验

①将重构半胱天冬酶基因在体外培养的肿瘤细胞中瞬时表达或诱导表达，研究其促凋亡活性；

②把肿瘤靶向半胱天冬酶基因导入体外培养的人细胞系，筛选得到阳性克隆；鉴定细胞分泌的肿瘤靶向半胱天冬酶蛋白；

③共培养实验观察分泌肿瘤靶向半胱天冬酶的建株细胞对HER-2阳性乳腺癌SKBR-3细胞和卵巢癌SKOV-3细胞的杀伤作用；

其用途是：

用抗肿瘤表面抗原erbB2/HER2的抗体、PE转膜结构域和重构型caspase-3构建治疗分子——靶向半胱天冬酶，通过以下途径应用于HER2阳性肿瘤的治疗：

①将重构和靶向半胱天冬酶的重组病毒表达载体，直接注射入肿瘤组织内部，产生抗肿瘤作用；

②用带有前导肽的靶向半胱天冬酶的基因的逆转录病毒载体转化患者的外周血T淋巴细胞，该细胞回输患者后可以分泌产生靶向重构半胱天冬酶，后者通过血液循环到达肿瘤部位，特异性地杀伤肿瘤细胞，并发挥长期的免疫监视作用；

③用与②相似的方法建立能分泌靶向半胱天冬酶的患者肿瘤细胞，通过肿瘤组织局部注射，抑制肿瘤生长；

④体外表达和纯化靶向半胱天冬酶蛋白，通过静脉或肿瘤组织局部注射，识别并杀伤肿瘤细胞。