Oligomere
Nukleinsäuren
(Oligonukleotide) nehmen Kettenlängen
ein, die zwischen Mononukleotiden (ein Nukleotid [nt]) und Dinukleotiden
(2 nt) einerseits und Polynukleotiden (> 50 bis 100 nt) andererseits liegen, also
zwischen 3 nt und etwa bis 7 nt. Zahlreiche biologische und biotechnologisch
relevante Klassen von Oligonukleotiden wie beispielsweise Antisense-Oligonukleotide,
siRNA oder immunstimulatorische CpG-Oligonukleotide haben Kettenlängen von
mindestens 12 bis 16 nt, vorzugsweise 18 bis 24 nt, wobei einige
oligomere Nukleinsäurewirkstoffe, wie
z.B. Ribozyme und Aptamere, auch deutlich längerkettig sind. Dagegen sind
Oligonukleotide im Längenbereich
von 3 bis etwa 8 nt bisher kaum untersucht.
Beim
Einsatz als Wirkstoff bieten kürzere
Oligonukleotide gegenüber
längerkettigen
Nukleinsäuren
eine Reihe technischer Vorteile. Die Herstellung, d.h. die Synthese
und die Reinigung, kurzer Oligonukleotide verursacht bedeutend niedrigere
Kosten. Ein niedrigeres Molekulargewicht bedeutet einen technischen
Vorteil hinsichtlich der Verabreichung der Oligonukleotide. Die
rationale Verbesserung von „Lead- Compounds" ist bei kürzeren Oligonukleotiden deutlich
aussichtsreicher.
Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, neue Oligonukleotide
als eine neue pharmazeutische Wirkstoffklasse, insbesondere zur
Regulierung der Aktivität
proteinartiger Biopolymere, beispielsweise zur Hemmung der Aktivität endogener
oder exogener Proteine und/oder der Vermehrung von Krankheitserregern
in einem Individuum, bereitzustellen.
Diese
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstände gelöst.
Insbesondere
wird erfindungsgemäß eine pharmazeutische
Zusammensetzung, enthaltend mindestens ein Hexanukleotid als biologisch
bzw. pharmazeutisch wirksamen Bestandteil und gegebenenfalls mindestens
einen pharmazeutisch verträglichen
Träger
und/oder Verdünnungsmittel,
wobei das Hexanukleotid zielspezifisch gegen ein proteinartiges Biopolymer
gerichtet ist, bereitgestellt.
Unter
einem Hexanukleotid, welches zielspezifisch gegen ein proteinartiges
Biopolymer gerichtet ist, wird in der vorliegenden Erfindung jedes Hexanukleotid,
das spezifisch und meßbar
fest an ein proteinartiges Biopolymer unter im wesentlichen physiologischen
Bedingungen bindet, verstanden.
Der
Begriff „Hexanukleotid" bedeutet jede Nukleinsäure (oder
Nukleinsäure-analoge
Verbindung), die aus sechs monomeren Einheiten (Nukleotiden oder
modifizierten Nukleotiden) aufgebaut ist. Der Begriff „Nukleinsäure" bedeutet natürliche,
halbsynthetische oder vollständig
synthetische sowie modifizierte Nukleinsäuremoleküle bestehend aus Desoxyribonukleotiden
und/oder Ribonukleotiden, und/oder modifizierten Nukleotiden wie
beispielsweise „Peptide
nucleic acids" (PNA), „locked
nucleic acids" (LNA)
oder „Phosphorothioaten". Auch andere Modifikationen
der Internukleotid-Phosphate und der Ribose bzw. Zucker-Komponenten
können
enthalten sein. Die Basen des Hexanukleotids umfassen sämtliche
bekannten Nukleobasen, wie beispielsweise die natürlich vorkommenden
Basen Adenin, Guanin, Cytidin, Thymidin und Uracil wie auch chemisch
modifizierte Basen und künstlich
hergestellte Basen.
Erfindungsgemäß können die
Basen des Hexanukleotids auf jede im Stand der Technik bekannte Art,
die nicht zu einem Verlust der Bindung des proteinartigen Biopolymers
führen,
modifiziert sein. Dies schließt
auch Modifizierungen, die zu einer stärkeren oder schwächeren Bindung
des Hexanukleotids führen,
mit ein.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist das Hexanukleotid, welches zielspezifisch gegen ein proteinartiges
Biopolymer gerichtet ist, die Nukleotidsequenz 5'-UCGUGU-3', 5'-TCGTGT-3', 5'-ACGUGU-3' oder 5'-UAGUGU-3' auf.
Der
Begriff „proteinartiges
Biopolymer" bedeutet
erfindungsgemäß jedes
proteinartige Biopolymer, einschließlich glykosilierter Modifikationen,
dessen Aktivität
durch das Binden an ein vorstehend definiertes Hexanukleotid mindestens
reduziert und vorzugsweise im wesentlichen gehemmt werden kann.
Die Reduzierung bzw. Hemmung kann reversibel oder irreversibel sein.
Das proteinartige Biopolymer kann von endogenem oder exogenem Ursprung sein.
Beispielsweise handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Biopolymeren
um Arzneistoff-spezifische Zielmoleküle („drugspecific targets"). Ein erfindungsgemäßes proteinartiges
Biopolymer kann ein intrazelluläres
Protein, ein extrazelluläres
Protein oder ein Transmembranprotein sein. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist das proteinartige Biopolymer von viralem Urprung. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besitzt das proteinartige Biopolymer
eine katalytische bzw. enzymatische Aktivität. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das proteinartige Biopolymer die
Reverse Transkriptase des humanen Immundefizienzvirus Typ 1. In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das proteinartige Biopolymer zelloberflächenständig.
Ferner
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
vorstehend definiertes Hexanukleotids bereit, umfassend die Schritte
- (a) des Bereitstellens eines ersten Systems,
welches n unterschiedliche Sätze
von Hexanukleotiden umfaßt,
wobei (i) jeder Satz ein oder mehrere Hexanukleotide mit gleicher
Nukleotidsequenz enthält,
(ii) sich jeder Satz vom anderen durch die unterschiedliche Nukleotidsequenz
der Hexanukleotide unterscheidet und (iii) n eine ganze Zahl von
2 bis 4096 ist,
- (b) des Bereitstellens eines zweiten Systems, welches mindestens
ein vorstehend definiertes Biopolymer umfaßt, und
- (c) des Inkontaktbringens des ersten Systems mit dem zweiten
System unter Bedingungen, welche eine zielspezifische Bindung eines
Hexanukleotids an das proteinartige Biopolymer unter Bildung eines
Hexanukleotid/Biopolymer-Komplexes ermöglichen.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die Hexanukleotide an mindestens eine detektierbare Markierung gekoppelt.
Der in dieser Ausführungsform
verwendete Begriff „Markierung" bedeutet geeignete,
direkt oder indirekt nachweisbare Atome, Moleküle oder Gruppen, die in die
Hexanukleotide eingebaut und/oder damit verbunden sind, beispielsweise
Fluoreszenzmarkierungen. In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die Hexanukleotide mit 32P markiert
oder Fluoreszenz-markiert.
Das
Inkontaktbringen des ersten Systems mit dem zweiten System unter
Bedingungen, welche eine zielspezifische Bindung eines Hexanukleotids an
das proteinartige Biopolymer unter Bildung eines Hexanukleotid/Biopolymer-Komplexes
ermöglichen, umfaßt das Bereitstellen
sämtlicher
physikalischer Bedingungen wie beispielsweise Temperatur, Druck usw.
als auch die chemischen Bedingungen wie beispielsweise Ionenkonzentration,
Ionenstärke
und Ionenzusammensetzung, pH-Wert usw. der jeweiligen Reaktionsgemische.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfolgt das Inkontaktbringen des ersten
Systems mit dem zweiten System unter im wesentlichen physiologischen
Bedingungen.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Hexanukleotide in Schritt (a) und das proteinartige Biopolymer
in Schritt (b) jeweils in einer wässrigen Lösung bereitgestellt.
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
das erfindungsgemäße Verfahren
nach Schritt (c) weiter den Schritt
- (d) des Identifizierens des zielspezifisch
gebundenen Hexanukleotids durch Isolieren des Hexanukleotid/Biopolymer-Komplexes
von nicht gebundenen Hexanukleotiden und nach der Abtrennung von
dem Biopolymer durch Bestimmen der Nukleotidsequenz dieses Hexanukleotids.
Das
Isolieren des Hexanukleotid/Biopolymer-Komplexes von nicht gebundenen
Hexanukleotiden kann beispielsweise durch das Abtrennen der nicht
an die proteinartigen Biopolymere gebundenen Hexanukleotide, beispielsweise
mittels Gelfiltration, erfolgen. Die in dem Hexanukleotid/Biopolymer-Komplex
an die proteinartigen Biopolymere gebundenen Hexanukleotide können beispielsweise nach
jedem bekannten Verfahren zum Klonieren von Nukleinsäuresequenzen
in einen geeigneten Vektor kloniert werden. In einer bevorzugten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die in dem Hexanukleotid/Biopolymer-Komplex an das proteinartige
Biopolymer gebundenen Hexanukleotide durch Hitzedenaturierung freigesetzt.
Nach der Übertragung
der Hexanukleotidsequenzen in einen geeigneten Vektor kann dieser
beispielsweise in einen prokaryontischen Organismus eingebracht
werden und auf diese Weise kann der die gewünschte Hexanukleotidsequenz
enthaltende Vektor amplifiziert und anschließend isoliert werden. Daraufhin können die
mit Hilfe der Klonierung gewonnenen Hexanukleotide durch jedes im
Stand der Technik bekannte Verfahren zum Sequenzieren von Nukleinsäuren sequenziert
werden. Dies schließt
sowohl eine manuelle Sequenzierung mit Hilfe radioaktiv markierter
Didesoxynukleotide als auch eine automatische Sequenzierung mit
Hilfe entsprechender Sequenzierautomaten ein.
In
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist das erste System ein Träger
für eine
systematische Anordnung potentieller Wirkstoffe mit 4096 unterschiedlichen
Sätzen
und das proteinartige Biopolymer ist mindestens an eine detektierbare
Markierung gekoppelt.
Unter
einem „Träger für eine systematische Anordnung
potentieller Wirkstoffe" wird
eine zweidimensionale Anordnung von Gruppen von immobilisierten
einzelsträngigen
Biomolekülen,
insbesondere Nukleinsäuren,
mit bekannter Basenabfolge (Sequenz) verstanden, so daß jedem
Biomolekül
bestimmte räumliche
Positionskoordinaten zugeordnet werden können. Um die Vorraussetzung
einzelsträngiger
immobilisierter Nukleinsäuremoleküle zu erfüllen, müssen diese
bereits vor Beginn der Bindungsreaktion mit dem proteinartigen Biopolymer
entweder durch das bei der Herstellung des Trägers angewandte Verfahren bereits
einzelsträngig
sein oder gegebenenfalls vor Beginn der eigentlichen Bindungsreaktion
einer denaturierenden Behandlung unterzogen werden. Erfindungsgemäß befinden
sich auf dem Träger
4096 verschiedene Gruppen von mindestens einem Hexanukleotid, die
sich in der Basensequenz des Hexanukleotids unterscheiden. Auf diese
Weise wird der gesamte Sequenzraum aller möglichen natürlich vorkommenden Hexanukleotide (vier
natürlich
vorkommende Basen (entweder A, T, C, G bei Desoxyribonukleinsäuren, oder
A, U, C, G bei Ribonukleinsäuren),
also 46 = 4096 Hexanukleotide) auf dem Träger dargestellt.
Das
Material des Trägers
unterliegt keiner besonderen Einschränkung und kann jedes im Stand der
Technik bekannte Material sein, welches die erfindungsgemäß verwendeten
Hexanukleotide im Oberflächenbereich
des Trägers
immobilisiert. Beispiele für
derartige Materialien sind Kunststoffe, Halbleitermaterialien, Gläser, etc.
Der
in dieser Ausführungsform
verwendete Begriff „detektierbare
Markierung" umfaßt jede
Markierung, die für
den Nachweis eines proteinartigen Biopolymers geeignet ist. Eine
solche Markierung kann beispielsweise eine radioaktive Markierung
durch den Einbau von Radioisotopen in das proteinartige Biopolymer,
ein fluoreszierender Farbstoff, beispielsweise durch das Koppeln
des proteinartigen Biopolymers an Cy5 oder FAM, eine Verbindung
mit enzymatischer Aktivität,
beispielsweise durch das Koppeln des proteinartigen Biopolymers
an das Enzym Luciferase, welches ein Lichtsignal nach Umsetzen des entsprechenden
Substrats herstellt, eine magnetische Markierung, ein Antigen, das
einen Nachweis über
entsprechende Antikörper
ermöglicht,
oder eine Verbindung mit einer hohen Affinität für eine detektierbare Markierung,
beispielsweise durch das Koppeln des proteinartigen Biopolymers
an Biotin, welches dann über
Streptavidin, das an eine detektierbare Markierung gekoppelt ist,
nachgewiesen werden kann, sein. Verfahren zum Nachweis dieser detektierbaren
Markierungen sind in dem Fachgebiet bekannt.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Träger für eine systematische Anordnung
potentieller Wirkstoffe für einen
bestimmten Zeitraum, beispielsweise etwa 30 Minuten bis mehrere
Tage, mit dem proteinartigen Biopolymer inkubiert, anschließend werden
unspezifische Wechselwirkungen zwischen nicht-zielspezifisch gerichteten
Hexanukleotiden und dem proteinartigen Biopolymer, beispielsweise
durch das Verändern
der Reaktionsbedingungen, aufgelöst.
Beim Nachweisen der gebundenen proteinartigen Biopolymere mit Hilfe
der detektierbaren Markierung werden verbleibende Signale auf den
Feldern des Trägers detektiert
und quantifiziert. Aus der Position der markierten Felder auf dem
Träger
und den Inkubationsbedingungen werden spezifisch bindende Hexanukleotidsequenzen
sowie deren Spezifität
abgeleitet. Je stringenter die Inkubationsbedingungen, unter denen eine
Bindung des proteinartigen Biopolymers an ein Hexanukleotid stattfindet,
desto höher
ist die Spezifität
dieser Bindung, d.h. desto spezifischer ist sie.
Zudem
stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung eines vorstehend
definierten Hexanukleotids für
die Herstellung einer pharmazeutischen Zusammensetzung zur Behandlung
oder Vorbeugung einer Erkrankung bereit. Erfindungsgemäß steht
die Reduzierung oder im wesentlichen vollständige Hemmung der Aktivität eines
proteinartigen Biopolymers durch die Verwendung des zielspezifisch gerichteten
Hexanukleotids direkt oder indirekt mit der Erkrankung im Zusammenhang.
Ein derartiges proteinartiges Biopolymer kann beispielsweise ein exogenes
oder ein endogenes proteinartiges Biopolymer eines Wirbeltieres,
bevorzugt eines Säugers, besonders
bevorzugt eines Menschen, sein. Ferner kann ein derartiges proteinartiges
Biopolymer von einem Krankheitserreger stammen. Ein Krankheitserreger
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung jeder Organismus sein, der ursächlich für die Entstehung oder die Entwicklung
einer Erkrankung verantwortlich sein kann, wie beispielsweise Bakterien,
Viren, Pilze oder Protozoen.
Erfindungsgemäß ist das
vorstehend definierte Hexanukleotid in der erfindungsgemäßen pharmazeutischen
Zusammensetzung in einer pharmazeutisch wirksamen Menge vorhanden.
Eine pharmazeutisch wirksame Menge ist eine für die Regulierung der Aktivität proteinartiger
Biopolymere, beispielsweise zur Reduzierung oder im wesentlichen
vollständigen
Hemmung der Aktivität
endogener oder exogener Protei ne und/oder der Vermehrung von Krankheitserregern
in einem Individuum, wirksame Menge. Eine übliche Menge ist beispielsweise
bis etwa 1 bis 10 mg pro kg Körpergewicht
pro Tag. Die Dosierung des Hexanukleotids ist für einen auf dem Gebiet der
Pharmazie und/oder Medizin tätigen
Fachmann mit Hilfe der im Stand der Technik beschriebenen Verfahren
problemlos zu ermitteln. Die erfindungsgemäße pharmazeutische Zusammensetzung
kann auf jede im Stand der Technik bekannte Weise verabreicht werden.
Dies schließt
eine orale, rektale, systemische, (lokal) topische, nasale oder
parenterale Verabreichung oder eine Verabreichung durch Inhalation
(z.B. in Form eines Aerosols) ein. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße pharmazeutische
Zusammensetzung in gelöster Form
vorliegen und subkutan, intramuskulär oder intravenös injiziert
werden. Zudem kann die erfindungsgemäße pharmazeutische Zusammensetzung neben
dem vorstehend definierten Hexanukleotid weitere, für die jeweilige
Verabreichungsform erforderliche Hilfsmittel, beispielsweise Verdünnungsmittel,
pharmazeutische Träger,
Salze und/oder Konservierungsmittel.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung eines vorstehend
definierten Hexanukleotids zur Behandlung oder Vorbeugung viraler
Infektionen bei Säugern,
beispielsweise Menschen, bereitgestellt. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
ist die virale Infektion eine Infektion mit einem humanen Immundefizienzvirus
Typ 1.
Weiterhin
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren, vorzugsweise
Hemmen der Aktivität
von mindestens einem proteinartigen Biopolymer bereit, umfassend
die Schritte
- (a) des Bereitstellens eines ersten
Systems, welches mindestens das proteinartige Biopolymer enthält,
- (b) des Bereitstellens eines zweiten Systems, welches mindestens
ein vorstehend definiertes Hexanukleotid enthält, und
- (c) des Inkontaktbringens des ersten Systems mit dem zweiten
System unter Bedingungen, welche eine zielspezifische Bindung mindestens
eines Hexanukleotids an das proteinartige Biopolymer unter Bildung
eines Hexanukleotid/Biopolymer-Komplexes ermöglichen.
Zudem
stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung von mindestens einem
vorstehend definierten Hexanukleotid zum Hemmen der Aktivität von mindestens
einem proteinartigen Biopolymer bereit. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Verwendung von mindestens einem Hexanukleotid zum Hemmen
der Aktivität
eines Enzyms bereitgestellt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Enzym die Reverse Transkriptase des humanen Immundefizienzvirus
Typ 1. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform
weist das Hexanukleotid, das zur Hemmung der Aktivität der Reversen
Transkriptase des humanen Immundefizienzvirus Typ 1 verwendet wird,
die Nukleotidsequenz 5'-UCGUGU-3' auf.
Außerdem wird
ein Kit, enthaltend mindestens ein gegen ein proteinartiges Biopolymer
vorstehend definiertes Hexanukleotid zur Reduzierung oder im wesentlichen
vollständigen
Hemmung der biologischen Aktivität
des proteinartigen Biopolymers bereitgestellt.
Die
Figuren zeigen:
1: Bindung des Hexanukleotids
HXR-3 (5'-UCGUGU-3') (1a) bzw. eines Kontroll-Hexanukleotids
(5'-UCAAAA-3') (1b) an die Reverse Transkripase des humanen
Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1 RT) sowie an die Kontrollproteine
Bovines Serumalbumin (BSA) und T7-RNA-Polymerase (T7 pol), angegeben
in Prozent [%]. Die Reverse Transkriptase des verwandten humanen
Immundefizienzvirus Typ 2 wird nicht meßbar gebunden (nicht gezeigt).
2: Biologische Wirksamkeit
von HXR-3: Hemmung der Produktion rekombinanter Luciferase tragender
infektiöser
Viruspartikel von humanem Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1). HXR-1
ist ein inaktives Hexamer, „Kontrolle" bedeutet Virusproduktion in
Abwesenheit eines Hexamers. Angegeben wird die Produktion rekombinanter
infektiöse
HIV-Partikel in relativen Einheiten.
3: Übersicht über das erfindungsgemäße kombinatorische
Verfahren in Lösung
zur Herstellung zielspezifisch gerichteter Hexanukleotide
Die
folgenden Beispiele erläutern
die vorliegende Erfindung näher
ohne sie einzuschränken.