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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von pathologisch
veränderten
Prion-Proteinen (PrPSc) in lebenden Organismen
sowie einen Kit zur Durchführung
des Verfahrens.
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Transmissible
Spongiforme Enzephalopathien (TSE) sind beim Menschen und bei verschiedenen Tierarten
auftretende, infektiöse
und stets tödlich
verlaufende degenerative Erkrankungen des zentralen Nervensystems.
Die dabei auftretenden histopathologischen Veränderungen im Gehirn gehen einher
mit der Akkumulation von pathologisch verändertem Prion-Protein (PrPSc), einem Konformer des natürlich vorkommenden
zellulären
Prion-Proteins (PrPC). Die im Krankheitsverlauf
auftretende Prionen-Replikation erfolgt durch direkte Wechselwirkung
zwischen PrPSc und PrPC,
wodurch dem normalen PrPC die Konformation
des pathologischen PrPSc aufgezwungen wird.
PrPSc ist im Unterschied zu PrPC durch
einen erhöhten β-Faltblatt-Anteil sowie eine
hohe Resistenz gegenüber
Proteasen (z.B. Proteinase K) gekennzeichnet.
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Diese
Resistenz von PrPSc wird derzeit in der
in-vitro-Diagnostik zum Nachweis der Bovinen Spongiformen Enzephalopathie
(BSE) genutzt. Das Prinzip der derzeitigen Testsysteme besteht darin,
dass Gewebeteile des Stammhirns (Obex-Region) homogenisiert und
mit Proteinase K behandelt werden. Durch die Protease-Behandlung
wird das normale PrPC vollständig abgebaut,
während
PrPSc aus BSE-infizierten Tieren lediglich
um einige Aminosäuren
verkürzt
wird, was eine Reduktion der relativen Molekülmasse von 33-35 kDa auf 27-30
kDa zur Folge hat. Im Anschluss daran wird das verbleibende PrP
mit Hilfe von monoklonalen Antikörpern
im Western-Blot oder ELISA-Verfahren detektiert.
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Der
entscheidende Nachteil dieser Testsysteme ist die geringe Sensitivität. Da die
PrPSc-Konzentration bei
BSE-infizierten Rindern für
die gegenwärtigen
Testsysteme ausschließlich
im zentralen Nervensystem (ZNS) ausreichend hoch ist, beschränkt sich
die bisherige Diagnostik auf post-mortem-Tests und setzt eine Inkubationszeit
des infizierten Organismus von mindestens 18 Monaten bis zu mehreren
Jahren voraus. Nach heutigem Kenntnisstand ist die Krankheit auch
auf den Menschen übertragbar
und ruft nach einer Inkubationszeit von einem bis zu mehreren Jahren
die neue Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (nvCJD) hervor.
Die relativ lange Inkubationszeit birgt die Gefahr, dass Infizierte
die Erreger beispielsweise durch Bluttransfusionen oder Organtransplantationen
weitergeben. Daraus begründet
sich ein hoher Bedarf an der frühzeitigen
Diagnose der TSE.
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Um
die TSE-Diagnostik bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Infektion,
am noch lebenden Organismus durchführen zu können, muss der Nachweis von
PrPSc in Körperflüssigkeiten bzw. Biopsiematerial
ermöglicht
werden.
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In
der WO 02/057789 A2 ist ein Verfahren zum Nachweis von TSE beschrieben,
umfassend das Behandeln einer Gewebe- oder Blutprobe mit Alkohol
und einem Detergenz, das Zufügen
eines Agens, das das normale Prion-Protein degradiert, das Zufügen eines
Agens, das das abnormale Prion-Protein degradiert, das Zufügen eines
spezifischen Antikörpers
gerichtet gegen Prion-Proteine und das Nachweisen einer Antikörperbindung.
In der WO 03/00121 A1 wird ein Nachweisverfahren für Prion-Proteine
in Gewebeproben des Hirns beschreiben, das die Aufarbeitung des
Gewebes mittels Lyse, das Aufbringen des Lysats auf eine Membran, das
Inkubieren der aufgebrachten Proteine mit einer Protease oder umgekehrt,
das Zufügen
eines spezifischen Antikörpers
gerichtet gegen Prion-Proteine und das Nachweisen einer Antikörperbindung
beinhaltet.
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Nach
WO 02/066987 A2 werden Teile des Auges, insbesondere Kammerwasser,
als Probenmaterial für
die TSE-Diagnose vorgeschlagen. Dazu wird ausgeführt, dass sich Kammerwasser
insbesondere für
die in vivo-Diagnosik der TSE eignet, da zur Probengewinnung lediglich
ein geringfügiger
tierärztlicher
Eingriff, die Punktion des Kammerwassers, notwendig ist. In der
WO 02/066987 A2 sind jedoch keine Beispiele für eine Durchführung des
beschriebenen Verfahrens aufgeführt.
Darüber
hinaus erwiesen sich die vorgeschlagenen Probenaufbereitungen für einen
Nachweis von PrPsc im Auge als untauglich
und führten
nicht zum Erfolg.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Nachweis
von PrPSc in Körperflüssigkeiten bereitzustellen,
das sensitiv genug ist, PrPSc nachzuweisen,
ohne dass die potentiell infizierten Organismen getötet werden
müssen.
Ferner soll ein Kit zur Durchführung
des Verfahrens angegeben werden.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und einen Kit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Die
nachfolgenden Abbildungen erläutern
die Erfindung.
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1a und 1b zeigt
die Notwendigkeit der Proteinase K-Behandlung als Teil des Probenaufbereitungsverfahrens
für Körperflüssigkeiten.
Jeweils 6 Liquor- und Augenkammerwasser-Proben von BSE-positiven
und BSE-negativen Rindern wurden dem Probenaufbereitungsverfahren
mit und ohne Proteinase K-Behandlung unterzogen. Die Bestimmung
des resultierenden PrPSc-Gehaltes erfolgte
in einem PrPSc-spezifischen ELISA KW bedeutet
Augenkammerwasser.
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2 zeigt
vergleichend die Ergebnisse des Probenaufbereitungsverfahrens mit
und ohne Hitzeschritt während
der Resolubilisierung der Probe. Jeweils 4 Liquor- und 2 Augenkammerwasserproben
von BSE-positiven und BSL-negativen Rindern wurden dem Probenaufbereitungsverfahren
unterzogen. Die Detektion des resolubilisierten PrPSc erfolgte
in einem PrPSc-spezifischen ELISA. KW bedeutet
Augenkammerwasser.
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Als "BSE-positive Rinder" werden hier solche
Tiere bezeichnet, in deren Stammhirn-Gewebe post mortem Proteinase
K-resistentes PrPSc nachgewiesen werden
kann. Körperflüssigkeiten
von BSE-positiven Rindern wurden den lebenden Tieren entnommen,
eingelagert und nach den post mortem Nachweisen als Probenmaterial
verwendet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von pathologisch
veränderten
Prion-Proteinen (PrPSc) in Körperflüssigkeiten,
umfassend die Schritte,
- a) inkubieren einer
isolierten Probe der zu untersuchenden Körperflüssigkeit mit N-Lauroylsarcosin
mit einer Konzentration im Bereich von 0,1% bis 30%, und anschließend
- b) Durchführung
einer Protease-Behandlung, und anschließend
- c) Mischen der Probe mit einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln
und anschließender
Zentrifugation der Probe, und anschließend
- d) Inkubation der Probe mit einem Resolubilisierungspuffer,
entfaltend ein Detergenz, ein chaotropes Reagenz und einen Chelatbildner,
und anschließend
- e) Nachweisen der pathologisch veränderten Prion-Proteine (PrPSc).
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Vorzugsweise
liegt N-Lauroylsarcosin in einer Pufferlösung vor. Vorzugsweise kann
nach Schritt b) die Probe einer Protein-Präzipitation und einer anschließenden Resolubilisierung
unterzogen werden. Vor der erfindungsgemäßen Probenbehandlung, also
vor Schritt a), kann die Probe zur Abtrennung fester Bestandteile gegebenenfalls
einem Zentrifugations- und/oder Filtrationsschritt unterzogen werden.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das in Körperflüssigkeiten
enthaltene pathologisch veränderte
Prion-Protein (PrPSc) aufbereitet. Ferner
wird das natürlich
vorkommende PrPSc aus der Probe entfernt.
Durch die erfindungsgemäße Probenaufbereitung
kann PrPSc in Körperflüssigkeiten z.B. mit einem immunologischen
Nachweis unter Verwendung von anti-PrP-Antikörpern nachgewiesen werden.
Das Verfahren ermöglicht
den Nachweis mit einer hohen Sensitivität, sodass selbst geringste
bisher nicht nachweisbare Konzentrationen an PrPSc in
Körperflüssigkeiten
detektiert werden können.
Dadurch ist es möglich,
lebende Tiere oder Menschen bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt
nach der Infektion mit den TSE-auslösenden Prionen, vorzugsweise
innerhalb der ersten 6 Monate, zu untersuchen und bei Nachweis von
PrPSc als infiziert zu klassifizieren. Dies
war bisher nicht möglich,
da derart sensitive Tests nicht zur Verfügung standen und darüber hinaus
die Nachweise nur post mortem aus Hirngewebe durchgeführt werden
konnten.
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Die
zu untersuchenden Körperflüssigkeiten
können
von allen Organismen stammen, die sich mit Prionen infizieren können. Vorzugsweise
stammen die Körperflüssigkeiten
von Säugetieren,
insbesondere von Rindern, Schafen, Ziegen, Maultieren, Elchen, Rot-
und Damwild, Mäusen,
Hamstern oder Menschen.
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Das
Probenaufbereitungsverfahren ist für sämtliche Körperflüssigkeiten, wie z.B. Blut,
Serum, Plasma, Tränenflüssigkeit,
Augenkammerwasser, Liquor, Urin, Speichel, Lymphe, Peritonealflüssigkeit
oder Milch geeignet, wobei das Verfahren mit Augenkammerwasser oder
Liquor bevorzugt ist.
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In
einem ersten Schritt wird die isolierte Probe mit einer Detergenz-haltigen
Lösung
behandelt. Dadurch wird erreicht, dass PrPSc in
vollständig
unlöslichen
Komplexen vorliegt. Als Detergenz wird ein anionisches Detergenz,
nämlich
N-Lauroylsarcosin in einer Konzentration im Bereich von 0,1% bis
30%, vorzugsweise 20% verwendet. Die Lösung kann eine puffernde Substanz
enthalten, die vorzugsweise im alkalischen Bereich (pH 8,0 bis 11,0)
puffert, wie z.B. TRICIN-NaOH-Puffer,
BICIN-NaOH-Puffer, Glycin/NaOH-Puffer, Tris-HCl-Puffer, Phosphat-Puffer
oder Carbonat-Puffer. Bevorzugt wird die Verwendung von 50 mM Glycin/NaOH
pH 9,5.
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Anschließend erfolgt
eine enzymatische Behandlung, die einen Großteil der vorhandenen Proteine, z.B.
PrPSc-maskierende Proteine, proteolytisch
spaltet. Zur Demaskierung der Epitope wird die Probe nach vorstehend
beschriebener Probenvorbereitung einer Protease-Behandlung unterzogen.
Dazu wird das Probenmaterial mit einer Protease, z.B. Proteinase
K, behandelt. Der Protease-Verdau kann bei Standardbedingungen für die jeweilige
Protease oder nach Angaben des Herstellers, vorzugsweise bei 37°C für 10 min
durchgeführt
werden. Die verwendete Enzymkonzentration kann je nach Probenmaterial
im Bereich von etwa 10 μg/ml bis
etwa 100 μg/ml
liegen, vorzugsweise werden etwa 50 μg/ml Enzym verwendet.
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Anschließend wird
angereichert, indem zuerst ein Fällungsschritt
mit organischen Lösungsmitteln durchgeführt wird
und die Lösung
anschließend
zentrifugiert wird. Zur Fällung von
PrPSc wird ein Gemisch aus organischen Lösungsmitteln,
wie z.B. Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Aceton, Isopropanol,
Isoamylalkohol, verwendet, vorzugsweise Isoamylalkohol plus Aceton
im Verhältnis
70:30. Die Probenlösung
wird mit dem Lösungsmittelgemisch
im Verhältnis
2:1 vermischt. Durch kräftiges
Mischen wird die Suspension aus Probenlösung und N-Lauroylsarcosin-Lösung geklärt. Dies
ist erforderlich, um PrPSc durch Zentrifugation
sedimentieren zu können.
Die Zentrifugation erfolgt für
2 bis 20 min bei 2000 bis 22000 × g und 0 bis 37°C, vorzugsweise
für 5 min
bei 16000 × g
und 4°C.
Andere anionische Detergentien als N-Lauroylsarcosin, z.B SDS oder
nicht-ionische oder zwitterionische Detergentien sind hierfür nicht
geeignet. Weiterhin sollte die N-Laurylsarcosin-Konzentration im Schritt a) bei mindestens
20% liegen, damit der Fällungsschritt
durchgeführt
werden kann.
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Anschließend wird
ein Resolubilisierungsschritt durchgeführt. Der dabei verwendete Puffer
enthält
ein Detergenz, ein chaotropes Reagenz und einen Chelatbildner. Bevorzugt
wird folgender Puffer verwendet: 50 mM Tris pH 7,4, 8 M Harnstoff,
2% CHAPS, 10 mM EDTA. Die Auswahl der in dem Puffer enthaltenen
Substanzen ist so gewählt,
dass Aggregation von PrPSc unterbunden wird,
um die maximale Menge an PrPSc wieder in
Lösung
zu bekommen. Die Inkubation der Probe wird bei 100°C für mindestens
2 min und maximal 20 min durchgeführt.
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Anschließend wird
das in den vorhergehenden Verfahrensschritten aufbereitete PrPSc in einem beliebigen Verfahren nachgewiesen.
Dazu können
immunchemische (z.B. ELISA, Western Blot, Immunpräzipitation),
biophysikalische (z.B. Massenspektrometrie, Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie), biochemische (z.B.
Bestimmung biochemischer Parameter, wie z.B. relative Molmasse,
N-terminale bzw. C-terminale Aminosäuresequenz, Assoziations- und
Dissoziationskonstanten von Bindungspartnern) oder biologische (z.B. Cytotoxizitätsassay)
Nachweisverfahren zum Einsatz kommen.
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Das
Verfahren wird durch die folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Beispiel 1: Zusammensetzung
der Detergenz-haltigen Pufferlösung
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Die
Detergenz-haltige Pufferlösung
(nachfolgend als Denaturierungspuffer bezeichnet) hat die Funktion,
PrPSc von maskierenden Proteinen der jeweiligen
Körperflüssigkeit
zu dissoziieren und damit PrPSc in unlösliche Komplexe
zu bringen, während
die restlichen Probenbestandteile in Lösung gebracht werden. Die Effizienz
des Denaturierungspuffers zeigt sich nach Zusatz eines Proteinfällungsreagenz.
Ist die Probenlösung dann
klar, sind abgesehen von den PrPSc-Komplexen nahezu
alle Probenbestandteile in Lösung
geblieben. Folglich kann nur PrPSc durch
eine anschließende
Zentrifugation sedimentiert und damit angereichert werden. Bleibt
oder wird die Probenlösung
nach Zugabe des Fällungsreagenz
trüb, bedeutet
das, dass ein Großteil
der in der Probe enthaltenen Fremdbestandteile nicht in Lösung gehalten
werden konnte und damit während
der Zentrifugation zusammen mit dem PrPSc sedimentiert.
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Daher
wurde die Eignung der verschiedenen Lösungen als Denaturierungspuffer
anhand von Trübungsmessungen
beurteilt. Dazu wurden je 100 μl
Probe (Augenkammerwasser von BSE-negativen
Rindern) mit dem gleichen Volumen Denaturierungspuffer versetzt
und sorgfältig
gemischt. Anschließend
wurden 100 μl
Fällungsreagenz
(Isoamylalkohol plus Aceton, 7:3) zugegeben und kräftig gevortext.
Die Trübung
von jeweils 100 μl
der denaturierten Proben wurde in Mikrotiterplatten photometrisch
bei 620 nm (Tecan Sunrise, Tecan, Schweiz) bestimmt.
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Das
Ergebnis der Trübungsmessungen
ist in Tabelle 1 dargestellt. Die meisten der getesteten Lösungen zeigten
optische Dichten zwischen 0,3 und 1,1, sind also nicht oder nur
bedingt als Denaturierungspuffer in diesem System geeignet. Lediglich
ein alkalischer Puffer mit einem N-Lauroylsarcosin-Gehalt von 20% war in
der Lage, alle Bestandteile des Augenkammerwassers in Lösung zu
bringen (OD620 0,049).
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Mit
anderen Körperflüssigkeiten
wie beispielsweise Liquor und Plasma, sowie mit homogenisierten Gewebeproben
wurden vergleichbare Ergebnisse erzielt.
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Tabelle
1: Vergleich verschiedener Denaturierungspuffer
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Beispiel 2: Zusammensetzung
des Fällungsreagenz
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Im
Anschluss an den Protease-Verdau kann durch Proteinfällung mit
organischen Lösungsmitteln
eine Anreicherung von PrPSc erzielt werden.
Dazu wurden verschiedene Lösungsmittelgemische
und andere gängige
biochemische Proteinfallungs-substanzen analog Beispiel 1 unter
Verwendung von 50 mM Glycin pH 9.5 mit 20% N-Lauroylsarcosin als
Denaturierungspuffer getestet. Die Fällungseffizienz wurde durch
Messung des Proteingehaltes in Überstand
und Niederschlag bestimmt. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die erzielten Ergebnisse.
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Tabelle
2: Vergleich verschiedener Fällungsreagenzien
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Isoamylalkohol-Aceton-Gemische
erwiesen sich am geeignetsten als Fällungsreagenz. Dabei ist ein höherer Isoamylalkohol-Anteil
förderlich.
Am effektivsten wird die Fällung
bei Einsatz eines Isoamylalkohol-Aceton-Gemisches im Verhältnis 70:30.
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Beispiel 3: Protease-Behandlung
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PrPSc liegt in Körperflüssigkeiten durch andere Proteine
maskiert vor. Daher ist in unbehandelten Körperflüssigkeiten wie Liquor, Plasma
und Augenkammerwasser von BSE-positiven Rindern PrPSc nicht
nachweisbar. Zur Demaskierung wurde eine Protease-Behandlung (z.B.
Proteinase K) durchgeführt.
Dazu wurden je 6 BSE-positive und BSE-negative Liquor- und Augenkammerwasser-Proben
mit Denaturierungspuffer (50 mM Glycin pH 9.5, 20% N-Lauroylsarcosin)
versetzt und für
10 min bei 37°C
mit Proteinase K (50 μg/ml)
inkubiert. Als Kontrolle wurden die gleichen Proben ohne Proteinase
K inkubiert. Die Reaktion wurde durch Proteinfällung mit einem Isoamylalkohol-Aceton-Gemisch
(70:30) abgestoppt. Das gefällte
Protein wurde durch Zentrifugation für 5 min bei 16000 × g und
4°C sedimentiert.
Der Überstand
wurde verworfen. Das erhaltenen Pellet wurde in 50 mM Tris pH 7,4,
8 M Harnstoff, 2% CHAPS, 10 mM EDTA resolubilisiert.
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In
der Probe enthaltenes PrPSc wurde wie folgt
nachgewiesen:
Eine MTP (Nunc-ImmunoTM Plate
MaxisorpTM Surface, F96 (Nunc, Roskilde,
Dänemark)),
wurde mit dem Peptid KLVFF beschichtet. Die Beschichtung erfolgte
durch Inkubation mit 100 μl
Peptidlösung
(10 μg/ml
in 0,1 M Carbonatpuffer pH 9,6) pro Kavität für 16 h bei 4°C. Anschließend wurde
die Flüssigkeit
abgesaugt und die MTP dreimal mit 300 μl Waschpuffer (PBS; 0,05% Tween
20; pH 7,2) pro Kavität
gewaschen. Freie Bindungsplätze
wurden durch Inkubation mit 0,5% Casein in Waschpuffer bei Raumtemperatur
für 1 h
blockiert. Nach einem Waschschritt (dreimal 300 μl Waschpuffer pro Kavität) wurde
die beschichtete MTP mit 100 μl
pro Kavität
der PrPSc-haltigen Probe für 1 h bei
Raumtemperatur mit Folie abgedeckt inkubiert. Nicht gebundenes Probenmaterial
wurde abgesaugt und die MTP dreimal mit 300 μl Waschpuffer pro Kavität gewaschen.
Die Inkubation mit dem Detektions-Antikörper (2 μg/ml F89, Sigma-Alderich, Taufkirchen,
Deutschland) erfolgte für 1
h bei Raumtemperatur. Anschließend
wurde die Platte wieder dreimal mit 300 μl Waschpuffer gewaschen und
für 1 h
bei Raumtemperatur mit einem Ziege-anti-Maus IgG-Peroxidasekonjugat
(1:20000 in Waschpuffer, Jackson, USA) inkubiert. Überschüssiges Konjugat
wurde durch fünfmaliges
Waschen mit 300 μl
Waschpuffer pro Kavität
entfernt. Nach Zugabe der Substratlösung (TMB) wurde die Farbentwicklung
nach 15 min durch Zusatz von 1 M H2SO4 abgestoppt und die Farbintensität durch
Extinktions-Messung bei 450 nm (Referenz 620 nm) registriert. Die
gemessene Extinktion ist der an die Peptide gebundenen Menge an
PrPSc proportional.
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Aus 1a und 1b geht
hervor, das PrPSc nur in Proteinase K-behandelten
Proben sicher nachweisbar ist.
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Beispiel 4: Ermittlung
der optimalen Zusammensetzung des Resolubilisierungspuffers
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Durch
die Behandlung mit Denaturierungspuffer und Fällungsreagenz lag das in der
Probe enthaltene PrPSc in unlöslicher
Form vor und musste daher für
einen immunologischen Nachweis in Lösung gebracht werden. Dazu
wurden Resolubilisierungspuffer unterschiedlicher Zusammensetzung
verwendet. Liquorproben von BSE-positiven und BSE-negativen Rindern
wurden analog Bsp. 3. aufbereitet. Das nach Zentrifugation erhaltene
Pellet wurde in 50 μl
des entsprechenden Resolubilisierungspuffers aufgenommen und zur
Verbesserung der Löslichkeit
für 5 min
auf 100°C
erhitzt. Anschließend
wurden die Proben mit dem PrPSc-spezifischen ELISA
wie in Beispiel 3 beschrieben analysiert. Die resultierenden optischen
Dichten, als Maß für den PrPSc-Gehalt, sind in Tab. 3 zusammengefasst.
Ein Puffer mit der Zusammensetzung:
50 mM Tris pH 7,4, 8 M
Harnstoff, 2% CHAPS, 10 mM EDTA erwies sich als effizientester Resolubilisierungspuffer.
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Anschließend wurde
die Notwendigkeit des Hitzeschrittes überprüft. Dazu wurden 4 BSE-positive und 4 BSE-negative
Liquorproben, sowie 2 BSE-positive und 2 BSE-negative Augenkammerwasserproben
wie oben beschrieben aufbereitet. Nach Zugabe des Resolubilisierungspuffers
wurden die Proben geteilt. Ein Teil wurde dem Hitzeschritt (5 min
100°C) unterzogen
und anschließend
analysiert, während
der andere Teil sofort analysiert wurde. 2 illustriert
die Notwendigkeit des Hitzeschrittes zur vollständigen Resolubilisierung des PrPSc. Ohne Erhitzen gehen ca. 80% des Signals
verloren.
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Tabelle
3: Vergleich verschiedener Resolubilisierungspuffer