DE2448530A1 - Derivate des diphtherietoxins, verfahren zu deren herstellung und diese enthaltende mittel - Google Patents
Derivate des diphtherietoxins, verfahren zu deren herstellung und diese enthaltende mittelInfo
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Description
BEHRINGWERKE AKTIENGESELLSCHAFT, Marburg (Lahn) ,.
Aktenzeichen: HOE 7^/b 026= Ma 206
Datum: 9. Oktober 1974 Dr.Li/Hö
Derivate des Diphtherietoxins, Verfahren zu deren Herstellung
und diese enthaltende Mittel
Die Erfindung betrifft Derivate des Diphtherietoxins, Verfahren
zu deren Herstellung durch Modifizierung eines Teilmoleküls des Diphtherietoxins und Mittel, insbesondere Diphtherie-Impfstoffe,
welche eines der Derivate des Diphtherietcxins enthalten. *
Die herkömmlichen Diphtherie-Impfstoffe zur aktiven Immunisierung
enthalten fast ausschließlich durch Inaktivierung des Diphtherietoxins mit Formaldehyd hergestelltes Antigen. Diese
auch als Toxoid bezeichnete Substanz ist mit einer Vielzahl
von antigenen Determinanten ausgestattet, wovon nur einige wenige für die Erzeugung von schützenden Antikörpern gegen
Diphtherie eine Rolle spielen dürften. Die Abtrennung, von für den Schutz unwichtigen determinanten Gruppen ist wünschensv/ert,
um zu antigenen bzw. immunogenen Stoffen zu kommen, dia wegen eines engeren Spektrums von antigenen Determinanten eine erhöhte
Spezifität und eine verbesserte Verträglichkoit erwarten
lassen.
Diphtherietoxin wird von Zellen des Corynebacterium diphtheriae
synthetisiert und extrazellulär als eine einzige Polypeptidkette mit einem Molekulargewicht von etwa 62.0OO in das Nahrmediuia
6 0 9 8 1 6,/ 1 0 3 1
o" Ma 206 :
~2- 24*8530
freigesetzt. Durch milde Proteolysa in Gegenwart von Verbindungen,
die Disulfidbrücken in Proteinen zu spalten vermögen, z.B.
Thiol-Verbindungen, entstehen aus dem Diphtherietoxin zwei
charakteristische Bruchstücke, das von dem NH2-terminalen Teil
des Toxins stammende sogenannte Fragment A (Molekulargewicht ca. 24,GOO) und das von dem Carboxy-terminalen Teil stammende
eogenannte Fragment B. (Molekulargewicht ca. 38.000). Das Fragment
A kann mit Methoden der Proteinchemie relativ leicht isoliert werden und ist in physiologischen Pufferlösungen in native
r Form haltbar. Das Fragment B hingegen kann bekanntlich über längere Zeit in isoliertem Zustand nur in Gegenwart von denaturierenden
Agenzien wie Harnstoff, GuaniJinhydrochlorid oder oberflächenaktiven Detergenzien in Lösung gehalten werden. Die
Entfernung des Denaturierungsmittels führt zu einem vollständig wasserunlöslichen Fragment B, das eine Handhabung wesentlich
erschwert. Dem nicht-denaturierten Fragment 3 wird jedoch eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von schützenden Antikör-
pern nach parenteraler Verabreichung zugeschrieben.
Der hier vorgelegten Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,
-da« Fragment B des Diphtherietcxins in-einer-Weise--zu modifizieren,
daß es ohne Verlust der Antigenität in einem physiologisch verträglichen Medium in Lösung.gehalten werden kann. Im besonderen
soll das Fragment B in der modifizierten Form als wesentlicher immunogener Bestandteil von Diphtherie-Impfstoffen verwendet
werden können und darin das herkömmliche Formaldehydtoxoid ersetzen.
Es wurde nun gefunden, daß dies durch ein Verfahren erreicht werden kann, dessen Kernpunkt darin besteht, daß die"spontane,
irreversible Ausfällung des Fragments B, die nach Entfernung der denaturierenden Agenzien wie Harnstoff immer beobachtet
wird, dadurch vermieden wird, daß eine geringgradige chemische Modifizierung des Fragments B entweder vor oder nach der Abtrennung
des Fragments A aus dem Molekülverband des Diphtherietoxins, das einen Komplex der Fragmente A und B darstellt,
durchgeführt wird. .
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Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung
eines Derivates des Fragments B des Diphtherietoxins, dadurch gekennzeichnet, dass man eine wässrige Lösung des
Diphtherietoxins mit einem aliphatischen Mono- oder Dialdehyd der Kettenlänge von 1-6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise
Formaldehyd, mit einer Aldehyd-Konzentration von 0,0015 M bis 0,035 M, vorzugsweise 0.002 - 0.02 M, bei 1 - 200C, vorzugsweise
1 - 60C, 5 Minuten bis 50 Stunden, vorzugsweise 2-20
Stunden, behandelt, vor oder nach der Aldehydbehandlung das Toxin in Gegenwart einer Disulfid-Brücken spaltenden
Verbindung mit einem proteolytischen Enzym umsetzt, das / Derivat des Fragments B aus der erhaltenen Lösung in Gegenwart
eines denaturierenden Agens mit protein-chemischen Isolierungsverfahren gewinnt und zweckmässig vom denaturierenden
Agens abtrennt.
Nach der Isolierung des Derivates des Fragments B kann das de-· naturierende Agens durch Dialyse oder andere vergleichbare
Methoden, die die Abtrennung von niedermolekularen Stoffen von hochmolekularem Protein gestattet, beispielsweise durch
Gelfiltration entfernt werden. Mit gleichen Maßnahmen ist auch der zur Umsetzung eingesetzte und dabei nicht verbrauchte
Aldehyd aus den Ansätzen zu beseitigen.
Das entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Derivat zeigt danach in physiologisch verträglichen, isotonisch
wäßrigen Medien nicht mehr die von dem nativen Fragment B bekannten
Denaturierungs- und Ausfällungserscheinungen- Wie das Fragment B hat das Derivat nicht mehr die vom Diphtherietcxin
■bekannte giftige Eigenschaft. Es verhält sich als Antigen und
ist in der Lage, schützende Antikörper gegen Diphtherie im menschlichen oder tierischen Organismus zu induzieren.
Das erfindungsgemäß hergestellte Derivat ist mit üblichen proteinchemischen
Methoden weiter zu reinigen. Eei der bekannt hohen Toxizität des nativen Diphtherietoxins und der ebenso bekannten
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Tatsache, dass Eiweissfraktionierungsmethoden nur in den selten- ·
sten Fällen zu einer 100#igen Abtrennung von Begleitsubstanzen, insbesondere ähnlich strukturierten Eiweisskörpern, führen, ist
es jedoch vorteilhaft, das erfindungsgemäss hergestellte Produkt einer weiteren Aldehydbehandlung zu unterziehen, dadurch gekennzeichnet,
dass man das erfindungsgemäss hergestellte Derivat des Fragments B mit einem aliphatischen Mono- oder Dialdehyd der
Kettenlänge von 1-6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Formaldehyd, bis zu einer Aldehydkonzentration von 0,035 M bis 0,35 M
versetzt und 14-28 Tage bei 20 - 370C stehen lässt, den
Aldehyd z.B. durch Dialyse entfernt und das modifizierte Derivat des Fragments B gewinnt.
Die zusätzliche Aldehydbehandlung führt zu einer v/eiteren Stabilität
des Fragments B in wässrigen Medien. Es ist demnach naheliegend, dass dieses stabile Derivat des Fragments B auch dadurch
erhalten werden kann, dass Diphtherietoxin wie für die Herstellung des Fragments B bekannt, mit einem proteolytischen
Enzym in Gegenwart von Disulfidbrücken-spaltenden Stoffen, z.B.
Thiol-Verbindungen umgesetzt, die Lösung mit einem denaturierenden
Agens versetzt, das Fragment B vorteilhaft durch Chromatographie, insbesondere Gelfiltration, gewonnen, das denaturierende
Agens zweckmäßig durch Dialyse entfernt wird und das
Fragment B anschließend sofort zusammen mit einem aliphatischen
Mono- oder Dialdehyd der Kettenlänge von 1-6 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Formaldehyd, in einer Konzentration von-0,0315 M
bis 0,035 M 5 Minuten bis 50 Stunden bei 1-200C stehen gelassen
wird. Gewünschtenfalls kann eine zweite Aldehydbehandlung zur
Modifizierung des Derivates angeschlossen werden. Es kann jedoch auch das Fragment B unmittelbar nach dessen Isolierung mit der
für die Modifizierung des Derivates verwendeten höheren Alöehydmenge
umgesetzt werden.
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Die Isolierung eines modifizierten Fragments B aus herkömmlichem
Diphtherletoxoid ist nicht möglich, da hier durch Einsatz von wesentlich höheren Formaldehydmengen eine kovalente Quervernetzung
zwischen den Fragmenten A und B stattgefunden hat. Es besteht jedoch kein Hinderungsgrund, jede das nicht denaturierte
Fragment B enthaltende Lösung erfindungsgemäss mit Aldehyden umzusetzen, um zu Derivaten mit den vorteilhaften Eigenschaften
■bezüglich Stabilität und Antigenität zu kommen«
Als Ausgangsmaterial werden Biphtherietoxin-haltige wäßrige
Medien eingesetzt, wie sie auch für die Gewinnung des Fragments
B verwendet werden« beispielsweise bezüglich Diphtherie-■fcoxln
angereicherte mehr oder weniger vorgereinigte Kultur filtrate,
hochgereinigte Tcxinpräparationen oder Fragment B-Lösungen.
Proteolytische Enzyme, die bei der Herstellung des Fragments B
Verwendung finden, sind Pronase? Papainff Subtilising vorzugsweise
jedoch Trypsin in löslicher odar in einer an einen festen Träger gebundenen Form» Es hat sich als vorteilhaft erwiesen.
die proteolytische Reaktion mit EiIfe eines Inhibitors, Trypsin
beispielsweise mit einem Trypsin-Xnhibitor aus tierischen Organen oder Pflanzen abzustoppen. Bei Verwendung von trägergebundenen
proteolytischen Enzymen erübrigt sich der Einsatz von Inhibitoren.
Als Disulfid-Brücken-spaltende Verbindungen werden "Thiolverbindungen
bevorzugt. Hierfür kommen beispielsweise in Frage Cystein, Mercaptoäthanol, Dithioerythrol, vorzugsweise jedoch
Dithiothreitol.
Unter denaturierenden Agenzien im Sinne des vorgelegten Verfahrens
sind chemische Verbindungen zu verstehen, mit deren Hilfe eine Lösung von Wasserstoffbindungen in Prbteinmolekülen
bewerkstelligt werden kann. Bekannte Vasserstoffbindungenlösende
Agenzien sind beispielsweise Harnstoff oder Guanidinhydrochlorid.
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?on Harnstoff ist bekannts daß das Fragment B mit dessen Hilfe
bei Konzentrationen >O,6 M in Lösung gehalten werden kann. Vor«
teilliaft werden etwa h - 6 M Harnstoff oder etwa 2 - 4 M
Guanidinhydrochlorid verwendeto
Meben den aufgezeigten Verfahrensmöglichkeifcen sind Gegenstand
der Erfindung ferner Derivate des Diphtherietoxins, die durch
Parameter zu kennzeichnen sind* welche sich durch ihre Herstellung
nach, dem vorgelegten Verfahren ergeben«
Schließlich sind Gegenstand der Erfindung Mittel, die die erfindiHigsgemäßen.
Diphtherietoxin-Derivate enthalten, insbesondere
Diphtherie-Impfstoffe zur Prophylaxe der Diphtherie-Erkrankung
©der zur Herstellung von Diphtherie-Antiseren, aber auch diagnostische
Präparate«. Zur Erhöhung der Losungsstabilität des erfindungsgemäß
hergestellten Produkts kann es zweckmäßig sein, dem physiologisch verträglichen„ wäßrigen Medium, in dem dies
gelöst ist, Aminosäuren oder Kohlenhydrate zuzusetzen.
Die Eignung der Produkte als Impfstoffs wird im folgenden durch
Versuche bewiesen, die eine gute Verträglichkeit und Wirksamkeit ■des Produkts bescheinigen«
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— Ί. - ' fa.· ?06
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Da bei dem herkömmlichen Formaldehyd-Toxoid insbesondere auf
allergische Reaktionen vom verzögerten Typ geachtet werden muß, wurde das Produkt gemäß der Erfindung mit dem herkömmlichen
Toxoid im folgenden Versuch verglichen:
Gruppen ä 10 Meerschweinchen erhielten:
A. 0,5 ml des Produkts nach Beispiel 1 mit 0,1 mg Protein/ml, an 0,02% Al(OH)3-GeI adsorbiert» und 3 Wochen später 0,5 nl
desselben Antigens mit 0,04 mg/ml ohne Al(OH)3.
B. 0,5 ml eines herkömmlichen Formaldehyd-Toxoids mit 0,1 mg Protein/ml, an 0,02% Al(OH)3 adsorbiert, und 3 Wochen später
0,5 ml desselben Antigens mit 0,04 mg/ml ohne Al(OH)3.
12 Tage später erhielten sämtliche Tiere 0,1 ml der beiden Antigene
intrakutan in drei Verdünnungen (10/ug/ml, 1 /ug/ml und
O,l ,ug/ml) . Die Hautdicke an der Injektionsstelle wurde nach
O,24 und 48 Stunden gemessen. Die durchschnittliche Zunahme der
-flautdicke als-Maß für-die-allergische Reaktion war mit dem herkömmlichen
Toxoid größer als bei dem erfindungsgemäßen Produkt.
Durchschnittliche Zunahme der Hautdicke in 1/10 ium nach Injektion,
gemessen mit Kutimeter (Hautdickenmeßgerät der F?.. Hauptner):
A. Mit dem Produkt gemäß Erfindung
immunisierte Tiere · ■ . Reaktion
24 Std. 48 Std.
Challenge mit erfindungsgemäßem Produkt 5,3 0,16 Challenge mit herkömml. Toxoid 7,0 1,8
B. Mit dem herkömmlichen Toxoid
immunisierte Tiere
immunisierte Tiere
Challenge mit erfindungsgemäßem Produkt 5,7 3,0 Challenge mit herkömml. Toxoid 9,1 4,S
6 0 9 8 16/1031
Wirksamkeitstest - 3Γ ~ - Ma 206
S "" ^ " 244853C
Gruppen ä 5 Meerschweinchen erhielten subkutan 0,5 ml (20 /
einer Suspension des Produkts nach Beispiel 1, adsorbiert an 0,2% Ai(0H)3-Gel. 4 Wochen später· wurden die Tiere mit 0,3 mg
Diphtherietoxin, entspr. 10 minimal-tödlicher Dosen (= dim =
dosis letalis minima), vergiftet. Sämtliche Tiere überlebten die Vergiftung. Dasselbe Produkt verabreicht als adsorbatfreier
Impfstoff mit 100/ug/Tier, führte zu einer Überlebensrate von
20%.
m einen Vergleich mit der Situation der Menschen, die schon
einen Diphtherieantitoxintiter haben, ziehen zu können, wurden Gruppen ei 5 Meerschweinchen mit herkömmlichem Toxoid vorimmunieiert.
Die Dosis des herkömmlichen Impfstoffes wurde so gewählt, daß der Antitoxintiter nach 28 Tagen stets unter 0,125 IE/ml
Serum betrug. Am Tag 28 wurden Antigene, die laut den Beispielen hergestellt worden waren, in unterschiedlichen Dosen als adsorbatfreie
Impfstoffe verabreicht und der Antitoxintiter 10 Tage epäter ermittelt. Tiere, die 0,2-0,4 ^ig/Tier des Produkts laut
Beispiel 2 bekommen hatten, zeigten eine Erhöhung des Antitoxintiter s um das 30-6Ofache.
Die Erfindung soll an den nachstehenden Beispielen näher erläutert
werden.
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Beispiel 1 _ 5, _ Ma" 2o6
Diphtherietoxin (100.000 Flockungseinheiten = Lf-Einheiten,
entspr. ca. 270 mg Protein) wird als 0,1% Proteinlcsung in
0,1 M Phosphatpuffer, pH 7,8 mit "Formaldehyd bis zu einer End-Tconzentration
von 0,015 M Aldehyd versetzt und 16 Stunden bei 4°C stehen gelassen. Die Lösung wird in einen Dialysierschlauch
gefüllt und anschließend gegen die 1Ofache Menge von 0,1 M
Trishydroxymethylaminomethan-HCl-Puffer (TRIS) von pH 8,0 dialysiert,
danach mit Trypsin (2/ug/ml) in Gegenwart von Dithiothreitol
(DTT) (1,5 mg/ml) während 60 Minuten bei 37°C inkubiert und anschließend mit Trypsininhibitor aus Rinderlunge (3/ag/ml)
versetzt. Nach Ankonzentrierung der Lösung auf eine Endkonzentration von 10 mg Protein pro ml auf einem Ultrafilter wird
Harnstoff bis zu einer Konzentration von 6 M/l hinzugefügt und die Lösung auf eine Säule (4,5 χ 100 cm) von Sephade'x'R) G-150
(Warenzeichen der Fa. Pharmacia, Uppsala), äquilibriert mit 6 M Harnstoff in 0,1 M Trispuffer, pH 8,0, und DTT 0,001 M, aufgetragen.
Die Elution erfolgt mit dem Äquilibrierungsgemisch. Bei der Chromatographie werden durch Messung der UV-Absorption bei
280 nm drei Proteinpeaks erkennbar. Der erste, kleinste Peak stellt hochmolekulares Material dar und wird verworfen. Der
zweite Peak enthält das Derivat des Fragments B. Es kann zur Weiterreinigung einer Rechromatographie unterzogen werden.
Peak 3 enthält das Fragment A.
Die Losung des isolierten Derivates des Fragments B wird mit
0,1 M Phosphatpuffer, pH 7,8 auf 500 ml verdünnt und anschüä3sxl·
gegen denselben Puffer so lange dialysiert, bis eine qualitative Harnstoff-Analyse negativ wird. Die Formaldehydkonzentratj.on
der Harnstoff-freien Lösung des Derivates des Fragments B wird anschließend auf 0,07 M gebracht und 21 Tage bei 37°C inkubiert.
Nach einer abschließenden Dialyse gegen O,15 M NaCl zur Entfernung
von freiem Formaldehyd wird das modifizierte Derivat des
Fragments B gewonnen. Es kann durch Ultrafiltration ankonzentriert
und zu einer Vaccine in bekannter Weise verarbeitetv/erüai.
Dabei kann als Stabilisator Glycin (0,1 M) oder Lysin (0,05 M) verwendet werden.
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/ο
Statt Formaldehyd kann auf die molare Aldehydmenge 4TDezogen'
auch Glutardialdehyd, Propionaldehyd oder Butyraldehyd entweder
in beiden Stufen oder auch nur in einer Stufe verwendet werden, um zu einem Produkt mit den gleichen Eigenschaften der guten
Löslichkeit und der Antigenität kommen zu können.
Diphtherietoxin (100.000 Flockungseinheiten = Lf-Einheiten,
entspr. ca. 270 mg Protein) wird als O,l%ige Proteinlösung in
0,1 M Trishydroxymethylaminomethan-HCl-Puffer von pH-Wert 8,0
dj.alysiert, danach mit Trypsin (2/ug/ml) in Gegenwart von Dithioerythrit
(DTE) (1,5 mg/ml) während 60 Minuten bei 37°C inkubiert und anschließend mit Trypsininhibitor aus Rinderlunge (3/Ug/ml)
versetzt. Danach wird Formaldehyd bis zu einer Konzentration von 0,015 M Aldehyd zu der Lösung zugesetzt und 16 Stunden bei
4°C stehen gelassen. Zu dieser Lösung v/ird Harnstoff bis zu einer Konzentration von 6 M/1 hinzugefügt und die Gewinnung des
Derivates des Fragments B wie im Eeispiel 1 vorgenommen. Gewünschtenfalls kann die anschließende Umsetzung mit 0,07 M
Formaldehyd ebenfalls wie im Beispiel 1 erfolgen.
Diphtherietoxin (100.000 Flockungseinheiten = Lf-Einheiten,
entspr. ca. 270 mg Protein) wird als 0,l%ige Proteinlösung unter Weglassung der Vorbehandlung mit 0,015 M Aldehyd mit Trypsin in
Gegenwart von Dithiothreitol wie im Beispiel 1 behandelt und wie dort für die Umsetzung des Derivates des Fragments B beschrieben
mit 0,07 M Aldehyd weiter verarbeitet und schließlich das modifizierte Derivat des Fragments 3 gewonnen.
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Claims (1)
- Patentansprüche».Ma 2061· Verfahren zur Herstellung eines Derivates des Fragments B des Diphtherietoxins, dadurch gekennzeichnet, dass man eine wässrige Lösung des Diphtherietoxins mit einem aliphatischen Mono- oder Dialdehyd der Kettenlänge von 1-6 Kohlenstoffatomen in einer Aldehyd-Konzentration von 0,0015 M bis 0,035 M bei 1 - 20° C, 5 Minuten bis 50 Stunden behandelt, vor oder nach der Aldehydbehandlung das Toxin in Gegenwart einer Disulfid-Brücken spaltenden Verbindung mit einem proteolytischen Enzym umsetzt t das Derivat des Fragments B aus der erhaltenen Lösung in Gegenwart eines denaturierenden Agens mit proteinchemischen Isolierungsverfahren gewinnt und zweckmässig vom denaturierenden Agens abtrennt.2. Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Derivates des Fragments B des Diphtherietoxins, dadurch gekennzeichnet, dass man das gemäss Anspruch 1 hergestellte Derivat des Fragments B mit einem aliphatischen Mono- oder Dialdehyd der Kettenlänge von 1-6 Kohlenstoffatomen bis zu einer Aldehyd-Konzentration von 0,035 M bis 0,35 M versetzt und 14 - 28 Tage bei 20-37 c stehen lässt, den Aldehyd entfernt und das modifizierte Derivat des Fragments B gewinnt.3· Verfahren zur Herstellung eines Derivates des Fragments B des Diphtherietoxins, dadurch gekennzeichnet, dass man von denaturierendem Agens freies Fragment B mit einem aliphatischen Mono- oder Dialdehyd der Kettenlänge von 1 -. 6 Kohlenstoffatomen in einer Aldehyd-Konzentration von 0,0015 M bis 0,035 M versetzt und 5 Minuten bis 50 Stunden bei 1 - 20° C stehen lässt, den Aldehyd entfernt und das Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins gewinnt.6098 16/103 1: Ma 206k. Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Derivates des Fragments B des Diphtherietoxins, dadurch gekennzeichnet, dass man von denaturierendem Agens freies Fragment B mit einem aliphatischen Mono- oder Dialdehyd der Kettenlänge von 1-6 Kohlenstoffatomen in einer Aldehvd-Konzentration von 0,035 M bis 0,35 M versetzt und 5 Minuten bis 50 Stunden bei 1 - 20 C stehen lässt, den Aldehyd entfernt und das modifizierte Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins gewinnt.5· Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins, gekennzeichnet durch Parameter eines Produkts, das erhalten wird durch ein Verfahren gemäss Anspruch 1.6. Modifiziertes Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins, gekennzeichnet durch Parameter eines Produkts, das erhalten wird durch ein Verfahren gemäss Anspruch 2.7»Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins, gekennzeichnet durch Parameter eines Produkts, das erhalten wird durch ein Verfahren gemäss Anspruch 3·8. Modifiziertes Derivat des Fragments E des Diphtherietoxins, gekennzeichnet durch Parameter eines Produkts, das erhalten wird durch ein Verfahren gemäss Anspruch 4.9. Mittel enthaltend ein Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins oder ein modifiziertes Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins nach einem der Ansprüche 5 bis 8.10. Diphtherie-Impfstoff enthaltend ein"Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins nach Ansprüchen 5 und 7·11. Diphtherie-Impfstoff enthaltend ein modifiziertes Derivat des Fragments B des Diphtherietoxins nach Ansprüchen 6 und 8.60981 6/103 1
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