DE2461439C3 - Verfahren zur Herstellung eines schützenden Antigens von Bordetella Pertussis sowie jenes enthaltendes Mittel - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines schützenden Antigens von Bordetella Pertussis sowie jenes enthaltendes MittelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schützendes Antigens von Bordetella pertussis
durch Extraktion der Keime und eine anschließende Adsorption der extrahierten Antigene an ein Trägermaterial,
ferner Pertussis-lmpfstoffe, welche diese Antigene enthalten.
Die herkömmlichen Pertussis-lmpfstoffe zur aktiven Immunisierung gegen Keuchhusten enthalten meist
abgetötete Keime der Bordetella pertussis. Von den Pertussiskeimen ist bekannt, daß sie beim Impfling
häufig lokal an der Impfstelle Schmerzen und Entzündungen, aber auch Fieber und in seltenen Fällen
zudem neurologische Komplikationen wie die gefürchtete Enzephalitis verursachen.
Es ist deshalb schon versucht worden, den keimhaltigen
Impfstoff durch einen Extraktimpfstoff mit dem Ziel einer besseren Verträglichkeit zu ersetzen. Die mehrfach
beschriebene Herstellung von Extrakten aus Pertussiskeimen mittels Salzlösungen führt zwar zu
einer Solubilisierung eines geringen Teils des Schutzantigenkomplexes;
die Ausbeuten sind relativ niedrig, die Extrakte bestehen wie die Keime aus einer Vielzahl von
Komponenten, die z.T. toxisch sind und zu keiner Verbesserung der Verträglichkeit des Impfstoffes beim
Impfling führen.
Eine weitere Reinigung der Salzextrakte ist wegen der Polydispersität des antigenen Materials stark
eingeschränkt. Mit den üblichen biochemischen Reinigungsverfahren erreicht man im wesentlichen eine
Verteilung der schützenden Aktivität in mehrere Fraktionen, ohne dabei die spezifische Schutzaktivität
wesentlich erhöhen zu können.
Zur Verbesserung der Ausbeute wurde auch schon versucht, die Pertussiskeime beispielsweise mit Ultraschall
aufzuschließen. Abgesehen von dem erhöhten apparativen Aufwand ist diese Verfahren ebenso
unbefriedigend, weil damit das Problem der höheren Reinheit des Schutzantigens nicht gelöst werden
konnte.
Es ist hier erwähnenswert, daß der sogenannte histaminsensibilisierende Faktor der Pertussiskeime
durch Behandlung mit einer wäßrigen Kochsalzlösung, die 4M Harnstoff enthält gewonnen werden kann.
Dabei war es nicht möglich, den Harnstoff ohne Aktivitätsverlust in bezug auf Histaminsensibilisierung
■> zu entfernen. Es ist strittig, ob die histaminsensibilisierende
Aktivität dem Schutzantigen ganz oder teilweise entspricht Neben Hinweisen darauf, daß es sich um
verschiedene Komponenten handelt, ist von S a t ο, Y,
Symp. Series Immunobiol. Standard, VoL 13, S. 214—
ίο 220, beschrieben, daß die Behandlung eines 22
S-Pertussisantigens mit Harnstoff zu einer Zerstörung der schützenden Aktivität führt
Der hier vorgelegten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schützenden Antigenkomplex in löslieher
Form aus Pertussiskeimen in größeren Ausbeuten und ggf. höherer Reinheit als bisher zu gewinnen und
das gereinigte Antigen als wesentlich wirksamen Anteil in Pertussisimpfstoffen zu verwenden.
Es wurde gefunden, daß dies durch ein Verfahren erreicht werden kann, dessen Kernpunkt darin besteht
daß Pertussiskeime mit Lösungen denaturierender Agenzien behandelt werden, die Keime abgetrennt und
das solubilisierte Material entweder sofort oder nach weiterer Reinigung im denaturierenden Milieu an ein
>r, wasserunlösliches Trägermaterial adsorbiert wird.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung eines schützenden Antigens von
Bordetella pertussis, dadurch gekennzeichnet daß man Keime von Bordetella pertussis mit einer wäßrigen
)» Lösung eines der Denaturierungsmittel Harnstoff, Guanidin oder deren Salze und eines Neutralsalzes in
einer Konzentration von 0,3 bis 3 Mol/l bei einem pH-Wert von 6—10 bei einer Temperatur von 1—40°C
und für eine Dauer von 0,5 bis 48 Stunden mischt, den
ι·'■ flüssigen Überstand vom Rückstand der Keime abtrennt
und danach das Denaturierungsmittel, gegebenenfalls nach Zusatz eines wasserunlöslichen Adsorptionsmittels
von der wäßrigen Suspension des schützenden Antigens abtrennt.
•κι Die Behandlung der Pertussiskeime mit der Lösung,
die zu einer Extraktion der Keime führt, erfolgt im einfachsten Fall durch Stehenlassen der in der Lösung
möglichst homogen suspendierten Keime. Bei dieser Maßnahme muß jedoch mit den längsten Extraktions-
■r> zeiten gerechnet werden. Schon ein sachtes Bewegen
der Keime, wie es durch einfaches Rühren erreicht werden kann, verbessert den Wirkungsgrad der
Extraktion. Geräte, wie sie für Homogenisierungszwekke bekannt sind, können zur Erhöhung der Ausbeute
mi und zur Verkürzung der Zeit mit Vorteil eingesetzt
werden. Je nach dem angewandten Bewegungsmittel beträgt die Extraktionszeit etwa 0,5—48 Stunden. Im
Durchschnitt muß mit einer Extraktionsdauer von 18 Stunden gerechnet werden.
r>r> Die Extraktionstemperatur beträgt 1 —400C. Temperaturen
unter Raumtemperatur, etwa im Bereich zwischen 1 und 10° C sind bevorzugt.
Die Mischung wird während der Extraktionszeit bei einem pH-Wert zwischen 6 und 10, vorzugsweise bei
wi pH 8 gehalten. Falls sich dieser pH-Wert nicht von allein
einstellt, kann er durch Zusatz geeigneter Pufferlösungen geschaffen werden.
Die Trennung von Extrakt und Keimrückstand erfolgt zweckmäßig durch Zentrifugieren. Auch Filtrationsvor-
«iri richtungen, die Mikroorganismen zurückzuhalten vermögen,
sind zur Gewinnung des zellfreien Extraktes geeignet.
Es hat sich überraschend gezeigt, daß das schützende
Antigen in einer Lösung, die Denaturierungsmittel enthält, die Eigenschaften eines relativ einheitlich
aufgebauten Stoffes aufweist. Seine weitere Reinigung ist deshalb in Gegenwart des Denaturierungsmittels
möglich. Eine geeignete Maßnahme hierzu ist beispielsweise die Gelchromatographie, bei der eine Abtrennung
von toxischen Komponenten vom schützenden Antigen erreicht werden kann, wenn die Entwicklung mit einem
Denaturierungsmittel enthaltenden Puffer vorgenommen wird. Als Medium für die Gelchromatographie
eignen sich besonders mit Epichlorhydrin vernetztes Dextran, im Handel als SephadexW der Firma Pharmacia,
Uppsala, oder Copolymere von Acrylamid und Methylenbisacrylamid, im Handel als Bio-Gel P(R>
der Firma Bio-Rad Laboratories, Richmond/USA.
Als Puffersubstanzen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen die bei biochemischen
Arbeiten zur Stabilisierung des pH-Wertes der Lösung eingesetzten chemischen Verbindungen in Frage,
vorteilhaft jene, die von N.E Good et al (1966) in Biochemistry 5, 467—477, beschrieben sind, beispielsweise
Tris-{hydroxymethyl)-aminomethan. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den verwendeten Pufferlösungen
geringe Mengen (etwa 1 —20 mM) an sogenannten Chelat- oder Komplexbildern, beispielsweise Äthy-
!endiamin-tetraacetat (EDTA) zuzusetzen.
Die Wahl des Adsorptionsmittels richtet sich im wesentlichen nach dem gewünschten Verwendungszweck
des schützenden Antigens. Im Falle des bevorzugten Anwendungsbereiches eines Pertussisimpfstoffes
wird als Adsorbens ein in der Vakzineherstellung erprobtes immunologisches Adjuvans bevorzugt
Dies kann anorganischen Ursprungs sein, wie Calciumphosphat oder Aluminiumoxid; vorzugsweise
wird AIPO4 und/oder Cy-Aluminiumhydroxid in einer
Endkonzentration (Feststoffkonzentration im fertigen Produkt) von 0,05% bis 0,4% (w/v) verwendet. Es
kommen jedoch auch organische Polymere, insbesondere polyanionische Adjuvantien in Frage, die in den
Lösungen der vorliegenden Denaturierungsmittel unlöslich sind, z. B. Derivate der Polyacrylsäure. Ist eine
Applikation an Menschen und Tieren nicht beabsichtigt, kann jedes beliebige für die Adsorption von Proteinen
verwendete Adsorbens der Lösung des schützenden Antigens zugefügt werden.
Die Entfernung des Denaturierungsmittels erfolgt zweckmäßig durch Dialyse. Da das schützende Antigen
im physiologischen Milieu durch die Dialysemembran nicht durchtreten kann, wird bei zunehmendem Austritt
des Denaturierungsmittels durch die Membran das schützende Antigen auf dem Adsorbens niedergeschlagen.
Falls ein steriles Präparat gewünscht wird, kann die Aufarbeitung von der Extraktion bis zu dem adsorbierten
Material unter sterilen Bedingungen erfolgen. Alternativ wird vor der Entfernung des Denaturierungsmittels
und vor der Zugabe des Adsorbens eine Keimfreifiltration vorgenommen. Die weitere Aufarbeitung
hat sodann unter sterilen Bedingungen zu erfolgen.
Unter Denaturierungsmitteln im Sinne des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind chemische Verbindungen zu verstehen, mit deren Hilfe eine Dissoziation von
Proteinmolekülen in Untereinheiten, insbesondere durch Lösung von Wasserstoffbindungen bewerkstelligt
werden kann. Besonders geeignet sind hierfür Harnstoff oder Guanidin sowie deren Salze, insbesondere auch
Guanidinhydrochlorid. Die Denaturierungsmittel werden in Konzentrationen von 2—6 Mol/l, vorzugsweise
4—6 Mol/l bezogen auf die Gesamtlösung, angewandt
An Neutralsalzen werden bevorzugt die wasserlöslichen Alkalihalogenide wie NaCl oder KCl und zwar in
einer Konzentration von 0,5—3 Mol/l, vorzugsweise
1 Mol/1 bezogen auf die Gesamtlösung. Denaturierungsmittel und Neutralsalze haben bei der Extraktion des
schützenden Antigens eine synergistische Wirkung.
Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren kommen Bordetella-pertussis-Keime in Frau
ge. Sie werden auf bekannte Weise beispielsweise durch Züchten in Cohen-Wheeier-Nährlösung bei ca. 35° C
unter Rühren vermehrt und durch Säurefällung, durch Fällung mit organischen Lösungsmitteln oder durch
Zentrifugation gewonnen. Man geht bei der Anreiche-
ιϊ rung der Keime beispielsweise so vor, daß man die
Bordetella-pertussis-Fermenterkultur einer sauren Fällung bei pH 3—5, vorzugsweise pH 4, unterwirft Zur
Säurefällung sind alle Mineralsäuren vorzugsweise 1 N Salzsäure, geeignet; ferner organische Säuren, z. B.
Essigsäure. Keime, die durch Zentrifugation von dem Kulturmedium getrennt wurden, eignen sich ebenso gut
wie mit Hilfe von Aceion oder Säure gefällte Keime. Die Keime werden vorteilhaft in wäßriger Suspension
eingesetzt. Die Konzentration kann 1SO · 109—
« 1000 · 109, vorzugsweise 100 ■ 109—400 · 1υ9 pro ml
betragen.
Die Prüfung der Wirksamkeit von Pertussisimpfstoffen
wird im Tierversuch nach einem von Kendrick 1947 angegebenen Verfahren durchgeführt (P. L K e η d -
id rick, G. Eidering, M. K. Dixon und J. M isηer,
Amer. J. Publ. Health 37, 803 (1947) und Fed. Reg. 33,
No. 118,8818, Paragraph 73 404 (1968). Hierbei werden
je 18 Mäuse mit dem Pertussisantigen in drei Verdünnungsstufen immunisiert und die belastungsfähi-
!■"> ge Immunität nach 13 Tagen durch eine intracerebrale
Infektion mit 200 LD» lebenden Keimen von B. pertussis geprüft. Als Standard-Präparat wird stets eine
Vakzine mit bekanntem Schutzwert mitgeführt. Der in diesem Test gefundene Schutzwert ist ein Maß für die
w schützende Wirkung des Impfstoffes am Menschen (vgl.
hierzu Medical Res. Council Brit. Med. J. No. 5128, 994 (1959).
Bei Extraktion von Pertussis-Keimsuspensionen mit einer Keimdichte von 100 - 109 Keimen pro ml je nach
•r. den angewandten Bedingungen des hier beschriebenen Verfahrens wurden Werte von 25 bis 75 I E/ml gefunden.
Ein Impfstoff mit mindestens 8 IE/ml wird als wirksamer Impfstoff allgemein anerkannt. Die Toxität wird nach
den Richtlinien des U. S. Department of Health,
w Education und Weifare bestimmt.
10 Mäuse erhalten 0,5ml der 1:2 verdünnten zu
prüfenden Pertussis-Vakzine. Gemäß den Forderungen der National Institutes of Health (NIH) in Federal Reg.
33, No. 118, 8818 (1968), Paragraph 73 403, werden
v> Gewichtszunahmen von 3 g/7 Tage gefordert. Bei
einem erfindungsgemäß hergestellten Pertussis-Antigen beträgt die durchschnittliche Gewichtszunahme der
Tiere nach 72 Stunden 1 — 3 g und nach 7 Tagen 5—6 g. Es enthält somit keine toxischen Anteile der Pertussis-
W) Keime und ist gut verträglich.
Gegenstand der Erfindung sind auch Mittel, die das erfindungsgemäße schützende Pertussis-Antigen enthalten,
insbesondere Pertussis-Impfstoffe zur Prophylaxe des Keuchhustens oder zur Herstellung von
h'> therapeutisch oder diagnostisch verwendbaren Pertus-,is-Antiseren,
aber auch diagnostische Präparate, die das schützende Pertussis-Antigen oder davon gewonnene
Antiseren enthalten.
Die Suspension des Antigens kann mit antimikrobiellen
Konservierungsmitteln wie Natrium-timerfonat versetzt werden. Das Pertussis-Antigen kann zur
Herstellung eines Polyvalenten Impfstoffes mit anderen Antigenen und bzw. oder Toxoiden in herkömmlicher
Weise vermischt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt einen wesentlichen Fortschritt bei der Herstellung des schützenden
Pert'jssis-Antigens bzw. von Pertussis-Impfstoffen dar.
Das Verfahren ist einfach. Die erzielte Schutzaktivität des adsorbierten Extrakt-Antigens ist im Hinblick auf
bisher aus der Literatur bekannten Daten überraschend hoch. Die hohe Ausbeute in dem Extrakt wird auch
dadurch verdeutlicht, daß Keime, die einer 6M-Harnstoffextraktion
unterzogen werden, 80% oder mehr ihrer Schutzaktivität verlören haben. Bei salzextrahierten
Keimen dagegen findet man nach Abtrennung des Extraktes lediglich einen Verlust von 10—20% an
Schutzaktivität. Dadurch, daß der Antigen-Extrakt in
einem denaturierenden Milieu keine wesentliche Polydispcrsität aufweist, ist eine Abtrennung von toxischen
Komponenten möglich. Danach ist eine bedeutende Steigerung der Verträglichkeit des Antigens bei seiner
Applikation bei Menschen, insbesondere Kindern, zu erwarten.
Das Verfahren wird in den folgenden Beispielen erläutert.
Zu 401 einer Pertussis-Keimsuspension mit 100 · 109 K/ml werden 6 11 M Tris(hydroxymethyl)aminomethan
HCL-Puffer pH 8,0 enthaltend 50 mM EDTA hinzugefügt. Nach dem Mischen werden 14,4 kg
Harnstoff und 3,48 kg NaCl zugesetzt, das Volumen wird mit Wasser auf ein Volumen von 60 1 eingestellt
und die Suspension über Nacht mit einem Magnetrührer gerührt. Nach Entfernung der Keime durch Zentrifugation
(Shurpless-Durchlaufzentrifuge) werden 3 1 einer 2%igen Suspension von AIPO4 im Gemisch mit einer
Suspension von 1% Al (OH)3 hinzugefügt Der Harnstoff wird anschließend durch Dialyse gegen sterile
0s15M NaCl, in einem Hollow-Fiber-Gerät der Fa.
Amicon, entfernt Nach Absitzen des Adsorbals wird
■> das Gesamtvolumen mit isotonischer Kochsalzlösung
auf 401 eingestellt. Ein so hergestelltes Immunogen brachte im Schutztest nach Kendrick 25 IE/ml.
Ein aus dem gleichen Ausgangsmaterial durch Behandlung der Keime mit 0,5 M NaCl hergestellter
ι ο Extrakt zeigte im Schutzversuch lediglich 4,5 I E/ml.
An der Maus gemessene Toxizität: Tag 3: +3,2 g; Tag 7:+5,8 g.
n Bei einem Extraktionsverfahren nach Beispiel 1, jedoch ausgehend von 200 - 109 K/ml und einer
wäßrigen Lösung von 6 M Guanidin-Hydrochlorid + 1 M NaCl wurde der Schutzwert des Extraktes mit
76 ΙΕ/ml gemessen.
.«ι An der Maus gemessene Toxizität: Tag 3: +1,Og;
Tag 7:+5,2 g.
Der Extrakt gewonnen laut Beispiel 1, jedoch mit :; 9,6 kg Harnstoff statt 14,4 kg wird an einem Ultrafilter
auf 2 I eingeengt und auf eine Säule von SephadexW G-150, äquilibriert mit dem Extraktionspuffer (enthaltend
4 M Harnstoff), aufgetragen. Der eingeengte Extrakt brachte vor der Chromatographie bei einem zu
j" 80 10s K/ml äquivalenten Volumen 8,25 1 E/ml entsprechend
130 ΙΕ/mg Protein. Das Material entsprechend dem Ausschlußvolumen der Säule bis zu einem
Molekulargewicht von ca. 90 000 wird gepoolt und der Harnstoff durch Dialyse gegen 0,15 M Kochsalzlösung
entfernt. Die nach der Chromatographie gewonnene Fraktion wurde auf ein der Keimdichte von
360 · 109 k/ml äquivalenten Volumen eingeengt und brachte in dem Schutzversuch 84,3 ΙΕ/ml entsprechend
525 I E/mg Protein.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung eines schützenden Antigens von Bordetella pertussis, dadurch
gekennzeichnet, daß man Keime von Bordetella pertussis mit einer wäßrigen Lösung eines der
Denaturierungsmittel Harnstoff, Guanidin odar deren Salze und eines Neutralsalzes in einer
Konzentration von 03—3 Mol/l bei einem pH-Wert
von 6—10 bei einer Temperatur von 1—40°C und für die Dauer von 0,5 bis 48 Stunden mischt den
flüssigen Überstand vom Rückstand der Keime abtrennt und danach das Denaturierungsmittel, ggf.
nach Zusatz eines wasserunlöslichen Adsorptionsmittels, von der wäßrigen Dispersion des schützenden
Antigens abtrennt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß der flüssige Überstand in Gegenwart des Denaturierungsmittels vor dem Zusatz des
wasserunlöslichen Adsorptionsmittels gereinigt wird.
3. Keuchhusten-Impfstoff enthaltend Pertussisantigen hergestellt nach Ansprüchen 1 bis 2.
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