DE10045592A1 - Ein Antikörper-TNF-TNF Inhibitor Fusionsprotein (TNF-Selektokin) als zielspezifisches Prozytokin zur Tumortherapie - Google Patents

Ein Antikörper-TNF-TNF Inhibitor Fusionsprotein (TNF-Selektokin) als zielspezifisches Prozytokin zur Tumortherapie

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Abstract

Die vorliegende Erfindung, umfassend ein Polypeptid mit antitumoralen und immunmodulierenden Zytokineigenschaften, welches biologisch inaktiv ist, bevor es nicht in vivo durch die erfindungsgemäßen Regionen entsprechend prozessiert wurde, bestehend aus einer zentralen Region mit spezifischer biologischer Aktivität, an dessen C-terminalem Ende sich eine Region mit einer Prozessierungseinheit und einer Inhibitordomäne, am N-terminalen Ende eine Region, die ein Makromolekül auf einer Zelloberfläche selektiv erkennt, befindet.

Description

Der Einsatz von rekombinantem Tumornekrosefaktor (TNF) zur Behandlung von Tumorerkrankungen ist bisher wegen starker systemischen Nebenwirkungen, die als therapiebegrenzend anzusehen sind, nur unter speziellen, aufwendigen Behandlungs­ protokollen (isolated limb perfusion) bei sehr begrenzten Indikationen (Melanom/Sarkom- Metastasen der Extremitäten) mit Erfolg durchführbar. Aus diesen klinischen Daten kann man abschätzen, daß etwa eine 10 bis 100-fach höhere TNF-Dosis als die MTD (Max. Tolerated Dose) zur anti-tumoralen Wirksamkeit benötigt würde als es die massiven systemischen Nebenwirkungen zulassen.
Aufgabe der Erfindung ist die unerwünschten Folgen einer Behandlung mit TNF-haltigen Substanzen zu lindern oder zu beseitigen, unter gleichzeitiger Beibehaltung bzw. Verstärkung der anti-tumoralen Eigenschaften von TNF.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Polypeptid mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Polypeptid ist ein modular aufgebautes, homotrimeres Fusionsprotein mit dem Zytokin TNF als antitumoralem Prinzip, welches seine biologische Wirkung durch Verknüpfung mit zwei weiteren Funktionsmodulen gezielt im Tumorareal freisetzt. Dies wird erreicht durch N-terminale Verknüpfung des TNF Moleküls mit tumorspezifischen scFv-Antikörper Derivaten und der C-terminalen Verknüpfung mit einem Peptid-Inhibitor, welcher selektiv im Tumorareal durch gezielte proteolytische Abspaltung aus dem Fusionsprotein entfernt wird und so ein am selektiven Zielmolekül gebundenes, bioaktives TNF entsteht. Zwischen dem scFv und dem TNF Modul befindet sich eine Trimerisierungsdomäne, die die Ausbildung von kovalenten Disulfidbrücken und damit eine regelmäßige und stabile Homotrimerisierung des Fusionsproteins gewährleistet. Mit diesem Konstrukt sollen lokal hohe TNF Wirkkonzentrationen erreicht werden, ohne dass es zu systemisch erhöhten TNF Spiegeln (z. B. im Serum) und damit therapielimitierenden Nebenwirkungen kommt. Gleichzeitig wird durch die Antikörper vermittelte Präsentation des vor Ort aktivierten TNF eine Wirkung erzielt, die der des natürlichen Membran-TNF entspricht, d. h. es kommt zur Coaktivierung beider TNF Rezeptor Typen und damit zur Potenzierung der antitumoralen Eigenschaften von TNF. Durch Auswahl der Spezifität des scFv Targeting Moduls kann ein auf die jeweilige Tumorentität spezifisch abgestimmtes/optimiertes Therapeutikum hergestellt werden.
Prinzip
Die Prodrug TNF-Selektokin ist ein rekombinantes, homotrimeres Fusionsprotein prinzipiell bestehend aus einer definierten Abfolge der folgenden Strukturelemente (Monomer): N terminal- 1 - ein murines, humanisiertes oder humanes Einzelkettenantikörperfragment (scFv) definierter Antigenspezifität bestehend aus VH-linker- VL; 2 - einem Peptidlinker mit intrinsischen Trimerisierungs-Eigenschaften; 3 - der humanen extrazellulären Domäne des TNF (mature 17 kDa Form, AA 1-157, Swissprot P01375); 4 - ein variables Linkerpeptid mit spezifischen Protease Spaltstellen, 5 ein spezifisch TNF bindendes Protein bzw. Peptid-C terminal.
Das Targeting Modul (1) besteht vorzugsweise aus einem typischen, nach dem Stand der Technik hergestellten Einzelkettenantikörperfragment (scFv) murinen, durch CDR grafting humanisierten oder vollständig humanen Ursprungs mit Spezifität für ein im Tumorgewebe selektiv bzw. dominant exprimiertes Antigen, wobei dies prinzipiell auf den malignen Zellen selbst exprimiert sein kann, vorzugsweise aber im nichtmalignen Anteil des Tumors, den Stromazellen oder dem Tumorendothel, exprimiert wird. Derartige Antigene nichtmaligner Gewebeanteile eines soliden Tumors (Karzinoms) sind einerseits genetisch invariant, andererseits bei unterschiedlichsten Tumorentitäten vorkommend und damit universelle Tumormarker. Beispielsweise seien hier der VEGFR bzw. der VEGFR/VEGF Komplex sowie das Integrin αvβ3, das Endosialin und die Fibronektin Isoform bFn als weitgehend selektive Zielstrukturen des Tumorendothels und das Fibroblast activation protein (FAP) als selektiver Marker des Tumorstromas genannt, die mit spezifischen, hochaffinen scFv wirksam erfasst werden können.
Das Trimerisierungsmodul (2) besteht vorzugsweise aus einer Domäne des Tenascin Moleküls (AA # 110-139, Swiss Prot. # P10039, Huhn; oder Swissprot # P24821, Mensch) oder einem anderen, natürlich vorkommenden oder synthetisch hergestellten Linker Peptid mit intrinsischen Trimerisierungseigenschaften. Es stellt die Verbindung zwischen scFv (1) und TNF (3) Molekül her und gewährleistet gleichzeitig die kovalente, homotrimere Verknüpfung des Fusionsproteins während der Biogenese.
Das TNF Modul (3) besteht aus einem TNF Vorläuferprotein oder vorzugsweise einem dem prozessierten, reifen Wildtyp TNF Molekül (AA 1-157, s. o.) identischen Protein, oder daraus abgeleiteten Mutanten mit selektiven Rezeptorbindungseigenschaften oder Mutanten, die hinsichtlich ihrer spezifischen Bioaktivität oder anderer Eigenschaften (Stabilität, Proteaseresistenz) optimiert wurden.
Das Protease sensitive Linkerpeptid (4) ist in Aminosäurezusammensetzung und Gesamtlänge so beschaffen, dass er die durch das Trimerisierungsmodul und TNF selbst bewirkte Homo-Trimerisierung des Fusionsproteins zulässt, gleichzeitig aber auch eine hochaffine, stabile Bindung des im Molekül C-terminal befindlichen TNF Inhibitors (z. B. die extrazelluläre TNF Rezeptordomäne) an den TNF Anteil erlaubt, sodass hierdurch die Bindung des TNF Moduls an zellexprimierte TNF Rezeptoren verhindert wird. Der Linker ist weiterhin so beschaffen, dass er mindestens eine, vorzugsweise mehrere selektive Spaltstellen für solche extrazellulären oder zellassozierten Proteasen enthält, die vorzugsweise selektiv im Tumorgewebe nachgewiesen werden; beispielsweise könnte der Linker Spaltstellen für Urokinase Typ Plasminogenaktivator (uPA), Gewebsplasminogen­ aktivator (tPA), den aktivierten Gerinnungsfaktor VIIa, Matrix Metalloproteasen wie MMP2 oder für die hochselektiv im Stroma des Tumors membranständig exprimierte Protease FAP enthalten. Die Struktur des Linkers ist so zu wählen, dass die Protease Erkennungssequenz frei zugänglich ist, d. h. eine effektive Prozessierung durch spezifische Proteasen möglich ist, und nach Spaltung des Fusionsproteins evtl. am TNF Molekül verbleibende Aminosäuren des Linkers die Bioaktivität des TNF nicht negativ beeinflussen.
Das TNF inhibierende Modul (5) besteht vorzugsweise aus der vollständigen oder partiellen extrazellulären Domäne eines humanen TNF Rezeptors, z. B. insbesondere des hu TNFR1 (synomym p55/60TNFR; Swissprot P19438, AA 1-190; bzw. Fragmente dieses Moleküls, beispielsweise AA 1-157 bzw. AA 60-120). Andere, spezifisch TNF bindende Proteine, etwa die extrazelluläre Domäne des huTNFR2 (genEMBL M32315) oder Proteine viralen Ursprungs wie z. B. das T2 Protein, sowie jeweils davon abgeleitete synthetische Peptide, die TNF Bindungseigenschaft besitzen und mit der TNF Bindung an Zellmembran­ ständige TNF Rezeptoren interferieren, sind prinzipiell auch geeignet. Damit ist das Fusionsprotein in diesem Zustand biologisch inaktiv, d. h. es befindet sich in der Proform.
Zur vereinfachten Reinigung des Proteins und in vitro Analytik kann C-terminal am TNFR Fragment ein aus dem Vektor POPE entnommener myc-His6-Tag angefügt werden.
Wirkprinzip
Ein TNF-Selektokin ist ein kovalent verküpftes, homotrimeres Molekül bestehend aus der oben im Detail erläuterten Fusion von drei Funktionsdomänen, dem tumorspezifischem Antikörpermodul, TNF und dem blockierendem TNF-Bindeprotein (extrazelluläre Rezeptordomäne oder davon abgeleitetes Peptid) sowie dazwischenliegenden funktionellen Linkem mit Trimerisierungseigenschaften bzw. spezifischen Protease-Spaltstellen, welches in diesem kompletten Zustand in Bezug auf die TNF Wirkung inaktiv ist. Das Selektokin wird nach in vivo Verabreichung durch den Antikörper Anteil zunächst spezifisch im Tumorareal angereichert und dort durch die vom Tumor selbst oder das reaktive Tumorstroma/Tumorgefäßsystem gebildete Proteasen (z. B. FAP, uPA, tPA, MMP2, Faktor VIIa) prozessiert, d. h. das inhibierende Peptid wird abgespalten. Nach selektiver proteolytischer Spaltung dissoziiert das TNFR Fragment/Inhibitorpeptid vom trimeren TNF Molekül, letzteres wird somit bioaktiv; das prozessierte TNF bindet nun bevorzugt an zellständige TNF-Rezeptoren, da diese, als homomultimere Moleküle, eine wesentlich höhere Affinität besitzen als die monomeren, löslichen Rezeptor-Fragmente. Die Selektivität der TNF Wirkung wird mit dem vorliegenden Selektokin also durch zwei Maßnahmen erreicht: Einerseits über die scFv vermittelte selektive Anreicherung der inaktiven Prodrug im Tumor und deren Retention auch nach proteolytischer Aktivierung, andererseits über die ortsspezifische Umwandlung der Prodrug durch Proteasen, welche ausschließlich im Tumorareal in signifikanter Aktivität nachweisbar sind. Durch die scFv vermittelte Bindung des TNF an membranständige Antigene wird darüberhinaus eine weitere bevorzugte Wirkung des Selektokins erreicht, nämlich eine gegenüber dem löslichen TNF Molekül verbesserte biologische Wirkung, die der des natürlichen Membran-TNF Moleküls ähnlich ist: Durch die scFv vermittelte Fixierung des TNF wird das Dissoziationsgleichgewicht am TNFR2 hin zu einer stabileren Bindung verschoben und damit dessen Aktivierung erreicht. Es ist bekannt, dass die simultane Aktivierung beider TNFR zu einem kooperativen Signalmechanismus und daraus resultierend verstärkten zellulären Reaktionen, insbesondere Aktivierung von Endothelzellen und Induktion von Apoptose in Tumorzellen, die diesbezüglich resistent gegenüber löslichen TNF sind, führen kann.
Die Expression des Fusionsproteins erfolgt in geeigneten Expressionssystemen, vorzugsweise als sezerniertes Produkt selektionierbarer, stabiler Transfektanden der Zell Linie CHO DG44 oder nach transienter expression in COS7 Zellen (siehe Beispiele). Andere, dem Stand der Technik entsprechende eukariontische Expressionssysteme, z. B. Pichia pastoris, Insekten oder Säugerzellen, mit den für das jeweilige Zellsystem für Sekretion geeigneten Expressionsvektoren, z. B. wie in Brocks et al (Immunotechnology 3: 173-184, 1997) für Säuger und Insektenzellen beschrieben bzw. pPICZalpha Vektoren (INVITROGEN) zur Expression und Sekretion in der Hefe Pichia pastoris, sind prinzipiell ebenso geeignet.
Beispiel eines TNF-Selektokins Beispiele der Sequenz eines TNF- Selektokins mit multiplen Schnittstellen im Linker und verschiedenen Rezeptorfragmenten
  • 1. scFv-TDTenascin-huTNF (AS 1-157)-linker-huTNFR1 (AS 1-190).
  • 2. scFv-TDTenascin-huTNF (AS 1-157)-linker-huTNFR1 (AS 60-120).
Alternativ ist eine Variante vorgesehen, bei der potentielle, endogene Schnittstellen im huTNF Molekül durch Aminosäureaustausch entfernt wurden (TNFmut I83F, R131Q) unter Beibehaltung der scFV, Linker- und Rezeptorsequenz wie oben exemplarisch dargestellt. Schema der Konstrukte.
Als Trimerisierungsdomäne ist die bei verschiedenen Spezies hochkonservierte coiled-coil Domäne von Tenascin-C (AS 110-139) vorgesehen: Beispiel der AS-Sequenz:
Huhn: ACGCAAAPIVKDLLSRLEELEGLVSSLREQ (swissprot #P10039)*
Mensch: ACGCAAAPDVKELLSRLEELENLVSSLREQ (swissprot #P24821)#
*Nies, D. E., Hemesath, T. J., Kim, J. H., Gulcher, J. R. and Stefansson, K. The complete cDNA sequence of human hexabrachion (Tenascin). A multidomain protein containing unique epidermal growth factor repeats. J. Biol. Chem. 266 (5), 2818-2823 (1991)
# Spring, J., Beck, K. and Chiquet-Ehrismann, R. Two contrary functions of tenascin: dissection of the active sites by recombinant tenascin fragments. Cell 59 (2), 325-334 (1989)
Beispiel einer Linker Sequenz mit den Proteasespaltstellen Thrombin, tPA, Factor VIIa, uPA
SEQUENZPROTOKOLL ANMELDER
NAME: Prof. Dr. Klaus Pfizenmaier
STRASSE: Seehausstraße 7
ORT: Tiefenbronn
POSTLEITZAHL: 75233
AKTENZEICHEN: 100 45 592.1
TELEFON: 07 11/6 85 69 86
TELEFAX: 07 11/6 85 74 84
BEZEICHNUNG DER ERFINDUNG
Selektokin
ANZAHL DER SEQUENZEN
2 DNA Sequenzen
2 Proteinsequenzen
COMPUTERLESBARE FASSUNG
DATENTRÄGER: Diskette
COMPUTER: PC
BETRIEBSSYSTEM: MS DOS
SOFTWARE: Windows NT
Sequenzbeschreibung 1
Kodierende DNA Sequenz (unten, nur kodierender DNA Strang, Nukleotid (NT) 1-1977) und translatierte Aminosäuresequenz (oben, Einzelbuchstaben Kodierung der Aminosäuren (AS) 1-658) eines erfindungsgemäßen Selektokins am Beispiel einer TNF Selektokin-Prodrug pW24.
Merkmale von pW24
Leitpeptidsequenz:
NT 1-57, AS 1-19
Antikörper-Modul: FAP spezifischer scFvOS4
(in Mersmann, (2000), Dissertation Uni Stuttgart, Verlag Grauer, Stuttgart, ISBN 3-86186-335-9:
NT 58-855, AS 20-285
Trimerisierungsdomäne: AS 110-139 des Tenascins vom (Huhn):
NT 856-945, AS 286-315
Linker:
NT 946-963, AS 316-321
TNF-Modul: N-terminale Deletion von AS 1-56 und 78-89 (TNFdelta 1-56, 78-89
) des humanen TNF Präkursors (26 kDa Membranform), i. e. Deletion der cytoplasmatischen Domäne, der Transmembrandomäne und der TACE Spaltstelle des TNF Präkursors:
NT 964-1458, AS 322-486
Linker mit Proteasespaltstellen:
NT 1459-1536, AS 487-512
Inhibitor-Modul: TNFR-Fragment AS 12-138 des humanen TNF-R1 wie in Himmler et al (1990) (DNA and Cell Biology 9: 705-715) beschrieben:
NT 1537-1917, AS 513-639
Myc-Tag:
NT 1918-1956, AS 640-652
His-Tag:
NT 1957-1974, AS 653-658
Stop:
NT 1975-1977
Sequenzbeschreibung 2 pW 33
Kodierende DNA Sequenz (unten, nur kodierender DNA Strang, Nukleotid (NT) 1-1806) und translatierte Aminosäuresequenz (oben, Einzelbuchstaben Kodierung der Aminosäuren (AS) 1-601) eines erfindungsgemäßen Selektokins am Beispiel der TNF Selektokin-Prodrug pW 33.
Merkmale von pW 33
pW-33 (Sequenz2) besitzt gleiche funktionelle Eigenschaften wie pW24 (Sequenz 1), unterscheidet sich von diesem durch ein verkürztes TNFR Fragment und einen verlängerten Protease-sensitiven Linker zwischen TNF und TNFR Fragment.
Leitpeptidsequenz:
NT 1-57, AS 1-19
Antikörper-Modul: FAP spezifischer scFvOS4
(in Mersmann, (2000), Dissertation Uni Stuttgart, Verlag Grauer, Stuttgart, ISBN 3-86186-335-9:
NT 58-855, AS 20-285
Trimerisierungsdomäne: AS 110-139 des Tenascins vom (Huhn):
NT 856-945, AS 286-315
Linker:
NT 946-963, AS 316-321
TNF-Modul: N-terminale Deletion von AS 1-56 und 78-89 (TNFdelta 1-55, 78-89) des humanen TNF Präkursors (26 kDa Membranform), i. e. Deletion der cytoplasmatischen Domäne, der Transmembrandomäne und der TACE Spaltstelle des TNF Präkursors:
NT 964-1458, AS 322-486
Linker mit Proteasespaltstellen:
NT 1459-1560, AS 487-520
Inhibitor-Modul: TNFR-Fragment AS 54-115 des humanen TNF-R1 wie in Himmler et al (1990) (DNA and Cell Biology 9: 705-715) beschrieben:
NT 1561-1746, AS 521-582
Myc-Tag:
NT 1747-1785, AS 583-595
His-Tag:
NT 1786-1803, AS 596-601
Stop:
NT 1804-1806.

Claims (20)

1. Polypeptid umfassend folgende Zusammensetzung,
  • 1. eine Region mit einer biologischen Aktivität für ein spezifisches Zielmolekül
  • 2. C-terminal von Region (1) eine Region, die eine oder mehrere Prozessierungsseiten hat, und
  • 3. C-terminal von Region (2) eine weitere Region, die Region (1) in ihrer biologischen Aktivität mittels intramolekularer Bindung und/oder Wechselwirkung hemmt,
  • 4. N-terminal von Region (1) eine Region, welche ein Peptidlinker ist, und
  • 5. N-terminal von Region (4) eine weitere Region, die ein spezifisches Makromolekül auf einer Zelloberfläche selektiv erkennt,
welches biologisch inaktiv ist, bevor es nicht in vivo innerhalb der Region (2) entsprechend prozessiert wurde.
2. Polypeptid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (1) eine Aminosäuresequenz eines Zytokins oder ein Fragment hiervon beinhaltet.
3. Polypeptid nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zytokin ein Tumor Nekrose Faktor (TNF, tumor necrosis factor), ein identisches Protein bzw. eine aus TNF abgeleitete Mutante oder ein anderes Mitglied dieser Zytokinfamilie ist.
4. Polypeptid nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Zielmolekül ein Zellmembran gebundener Zytokinrezeptor ist.
5. Polypeptid nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessierungsseite in Region (2) eine Spaltstelle für eine Protease ist.
6. Polypeptid nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Protease eine Urokinase Typ Plasminogenaktivator (uPA), Gewebsplasminogenaktivator (tPA), den aktivierten Gerinnungsfaktor VIIa, Matrix Metalloproteasen wie MMP2 oder eine hochselektiv im Stroma des Tumors membranständig exprimierte Protease FAP ist.
7. Polypeptid nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Region 3 mindestens eine Bindungsstelle für Region (1) aufweist.
8. Polypeptid nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (3) ein Rezeptor für ein Zytokin oder eines Fragmentes hiervon ist.
9. Polypeptid nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Rezeptor eine vollständige oder partielle extrazelluläre Domäne eines humanen TNF-Rezeptors ist z. B. (hu TNFR1, hu TNRF2) und/oder ein Protein viralen Ursprungs, wie das T2 Protein, sowie von diesen abgeleitete Mutanten oder synthetische Verbindungen, die TNF Bindungseigenschaften besitzen.
10. Polypeptid nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Peptidlinker in Region (3) ein Trimerisierungsmodul ist und Region (5) und Region (1) verbindet.
11. Polypeptid nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trimerisierungsmodul aus einem natürlich vorkommenden oder synthetischen Peptid mit intrinsischen Trimerisierungseigenschaften z. B. einer Domäne des Tenascin Moleküls besteht.
12. Polypeptid nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Region (5) ein murines, humanisiertes oder humanes antigenbindendes Antikörperfragment mit definierter Antigenspezifität ist.
13. Polypeptid nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass das Antikörperfragment in verschiedenen Antikörperformaten vorliegen kann z. B. als scFv, Fab oder als komplettes Immunglobulin.
14. Nukleinsäure, die eine Nukleotidsequenz codierend für das Polypeptid nach einem der Ansprüche 1-13 ganz oder teilweise beinhaltet.
15. Vectormolekül, das eine Nukleinsäure gemäss Anspruch 14 beinhaltet, und die Fähigkeit zur Expression und/oder Amplifikation in einer prokaryontischen und/oder eukaryontischen Zelle aufweist.
16. Wirtszelle, die eine Nukleinsäure und/oder ein Vectormolekül nach einem der Ansprüche 14-15 enthält, und die Fähigkeit zur Expression aufweist.
17. Isolierungsprozess, der das Polypeptid nach einem der Ansprüche 1-13 beinhaltet, eingeschlossen sowohl die Kultivierung von Wirtszellen gemäss Anspruch 16, unter geeigneten Bedingungen, als auch die Isolierung des Polypeptids als solches, aus den Wirtszellen und/oder dem Kulturmedium.
18. Verwendung eines Polypeptids nach einem der Ansprüche 1-13, zur Herstellung von pharmazeutischen Zubereitungen/Arzneimitteln für die therapeutische Behandlung von Krebserkrankungen und/oder Infektionskrankheiten und/oder metabolischen Erkrankungen.
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die pharmazeutische Zusammensetzung fest, flüssig oder aerosolartig (z. B. Spray) ist und optional pharmazeutische Hilfsstoffe (z. B. Lösungsvermittler, Träger) verwendet werden.
20. Verwendung eines Polypeptids nach einem der Ansprüche 1-13, für eine Methode zur therapeutischen Behandlung von Krebserkrankungen und/oder Infektionskrankheiten und/oder metabolischen Erkrankungen mit pharmazeutisch wirksamen Konzentrationen des erfindungsgemäßen Polypeptids.
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