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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Ein
aus dem Speichel des Blutegels Hirudo medicinalis isoliertes, natürlich vorkommendes
Protein ist beschrieben, das stark an Kollagen bindet und somit
als Inhibitor der natürlichen
Plättchenadhäsion an
Kollagen wirkt. Das Protein hat ein Molekulargewicht von etwa 12
000, einen sauren isoelektrischen Punkt und enthält sechs Cysteine. Das Protein
wurde sequenziert, und das Gen wurde aus einer H. medicinalis-cDNA-Bank kloniert.
Verfahren zur Herstellung eines solchen Polypeptids mittels Rekombinationstechniken
sind offenbart. Das rekombinante und das natürlich vorkommende Protein sind
starke Inhibitoren der kollagenabhängigen Plättchenadhäsion und eignen sich daher
zur therapeutischen Behandlung verschiedener Zustände, die
mit Herzerkrankung und Erkrankungen des Kreislaufsystems in Zusammenhang
stehen. Ferner eignet sich das Protein zur Beschichtung natürlicher
oder künstlicher
Kollagenoberflächen,
um diese für
Zellen nicht-adhäsiv zu
machen und die Aktivierung von Zellen zu verhindern.
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Gebiet der
Erfindung
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Bei
Homöostase
oder Thrombose haften Plättchen
an der Zell-extrazellulären
Matrix eines verletzten Blutgefäßes und
bedecken die Oberfläche
des beschädigten
Bereichs. Die Verhinderung dieses wichtigen ersten Schritts in der
Pathogenese von Thrombose und Arterienverschluss sollte bei der
Bestrebung, thrombotische Erkrankungen zu verhindern, von therapeutischem
Nutzen sein.
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Kollagen
wird als die am stärksten
thrombogene Oberflächenkomponente
ansehen, und es wurde gezeigt, dass es ein starkes Stimulanz für Plättchenadhäsion, -aggregation
und die Freisetzung ihrer Granula ist, was zur Rekrutierung (Ruggeri,
Z. M. et al.; Seminars in Haematology, 1994, 31, 229–39) weiterer
Plättchen
in diesen Bereich führt,
so dass Aggregate oder ein Thrombus gebildet werden. Der erste Kontakt
der Plättchen mit
der Gefäßoberfläche wird
durch Kollagen-gebundenen von-Willebrand-Faktor (vWF) und einen
spezifischen vWF-Rezeptor auf Plättchen,
den Glycoprotein-Ib-V-IX-Komplex, vermittelt. Zusätzlich treiben
ADP, Adrenalin und zirkulierende Gerinnungsfaktoren den weiteren
Aktivierungsprozess von Plättchen
an, während gleichzeitig
ein Anstieg in der Thrombinaktivität zur Bildung des vernetzten
Fibringerinnsels beiträgt.
Die Plättchen-Plättchen-Aggregation unterstützt diesen
Vorgang und wird hauptsächlich
durch Fibrinogen als Vermittler angetrieben, der Zellen durch den
Glycoprotein-IIb/IIIa-Rezeptor
miteinander verbrückt.
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Diese
normale physiologische Antwort ist im Verlauf des pathologischen
Vorgangs ziemlich entscheidend, bei dem sich Plättchen an Kollagene, die in
sklerotischen Läsionen
frei liegen, heften (Van der Rest M. et al.; FASEB Journal, 1991,
5, 2814–23)
und damit beginnen, Okklusionen aufzubauen. Je nach der Stelle und
dem Ausmaß der
Okklusion können
schwerwiegende Komplikationen, wie Myokardinfarkt, Schlaganfall, Entzündung oder
Lungenembolie, das schwerwiegende Ergebnis dieses Vorgangs sein.
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Als
direkt wirkendes, anti-thrombotisches Mittel ist zurzeit Heparin,
das die Thrombinaktivität
blockiert und somit die Bildung fibrinreicher Thrombi verhindert,
die am besten bekannte, bei anti-thrombotischen Eingriffen verwendete
Arzneisubstanz. Heparin wird weitverbreitet bei Indikationen einsetzt,
wie: instabile Angina und akuter Myokardinfarkt. Trotz der weitverbreiteten
Verwendung verbleiben jedoch mehrere schwerwiegende Nachteile ungelöst, wie
intravenöse
Anwendung, Erforderlichkeit von Antithrombin-111 als Cofaktor, verringerte
Affinität
für gerinnselgebundenes
Thrombin, seine Inaktivierung durch mehrere Plasmaproteine, die
gelegentliche Induktion von Thrombozytopenie und seine biologische
Heterogenität.
Infolgedessen waren die Ergebnisse der Verwendung von Heparin im
klinischen Umfeld bisher nicht überwältigend.
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Die
kürzlich
erfolgte Entwicklung von niedermolekularem Heparin hat eine Version
für die
subkutane Applikation beigesteuert, wobei jedoch der therapeutische
Nutzen gegenüber
dem Standard-Heparin mäßig war.
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Unglücklicherweise
gilt das gleiche für
die anderen direkt wirkenden Anti-Thrombine, wie Hirudin, Hirulog und
Warfarin. Es stellte sich heraus, dass eines der hauptsächlichen
Probleme anscheinend mit der gesteigerten Produktion von Thrombin
unter anti-thrombotischer Behandlung in Zusammenhang steht (Rao,
A. K et al., Circulation, 1996, 94, 389–2395).
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Andere
neuere Strategien konzentrierten sich daher auf den Vorgang der
Prothrombin-Aktivierung, die durch Faktor Xa angetrieben wird. Die
wichtigste Herausforderung ist die Gestaltung geeigneter Inhibitoren, die
gegen diesen Faktor gerichtet sind. Zusammengefasst könnte man
also argumentieren, dass das vollständige therapeutische Potenzial
dieses Typs des Eingriffes bisher noch nicht erreicht worden ist.
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Eine
weitere Gruppe von Therapeutika wird durch die thrombolytischen
Behandlungsschemata repräsentiert
und konzentrierte sich auf die Entwicklung von Staphylokinase, Streptokinase,
Urokinase-Typ-Plasminogenaktivator, Gewebetyp-Plasminogenaktivator
und Anisoyl-Plasminogen-Streptokinase-Aktivatorkomplex. Die
Unterschiede in der Zeit, die für
die Induktion einer Reperfusion erforderlich ist, sind für jedes
dieser Thrombolytika bemerkenswert unterschiedlich, der Beitrag
im Hinblick auf eine Verringerung der Gesamtsterblichkeit ist jedoch
für alle
Produkte gleich. Außerdem
sind Reokklusion oder verlängerte
Blutungsdauer häufige Komplikationen.
Dafür können die
relativ niedrige Spezifität
für Fibrin
und die kurze Plasma-Halbwertszeit dieser Verbindungen verantwortlich
sein. Zurzeit werden verschiedene Applikationsprotokolle und Kombinationen verschiedener
fibrinolytischer Prinzipien getestet, um einige der gegenwärtigen Nachteile
bei der thrombolytischen Therapie zu bewältigen. Die Verbesserung, die
man erwartet, ist jedoch recht klein.
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Vor
kurzem trat eine neue Gruppe von Patienten auf mit Problemen, wie
akutem thrombotischem Verschluss und später Restenose aufgrund von
Eingriffen, wie Angioplastie, Atherektomie, Arterientransplantation oder
Gefäßwand-Stent.
Die möglichen
therapeutischen Interventionen umfassen Anti-Plättchen-, anti-thrombotische
und thrombolytische Strategien. Verschiedene andere Substanzen,
wie Ticlopdine, die als ADP-Antagonisten wirken, oder der Calcium-Ionophor
A-23187 und insbesondere Aspirin haben einen direkten Einfluss auf
die Plättchenfunktion
und wurden für
die Verhinderung oder Minimierung von Plättchenaggregation vorgeschlagen.
Die erfindungsgemäße neue
Anti-Plättchenadhäsions-Substanz
könnte
ebenfalls zur Bewältigung dieser
klinischen Komplikationen beitragen, wenn sie während der Operation appliziert
wird.
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Zu
einer weiteren Komplikation in Zusammenhang mit diesem Punkt kommt
es, wenn künstliche
Oberflächen
mit Blut in Kontakt kommen, dann besteht eine erhöhte Neigung,
thrombotische Ereignisse durch Aktivierung von Plättchen und/oder
Induktion der Gerinnung auszulösen.
Diese Wirkungen können
das Versagen von Gefäßtransplantaten,
Herzklappen, Stenten, Kathetern oder jede(r/m) anderen, mit Blut
in Kontakt stehenden Vorrichtung oder Material verursachen. Die
Fähigkeit
des hier offenbarten Proteins, nicht-thrombogene Oberflächen zu
schaffen, kann daher durch Immobilisierung dieses Proteins auf den
vorstehend beschriebenen Materialien und Vorrichtungen weiter genutzt
werden. Eine solche Behandlung sollte solche Materialien oder Vorrichtungen
biokompatibel und thrombo-resistent
machen.
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Aufgrund
von Beschränkungen
im Zusammenhang mit den verfügbaren
anti-thrombotischen Substanzen besteht ein tatsächlicher Bedarf an neuen, alternativen
Strategien und Therapeutika.
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Hintergrund
der Erfindung
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Durch
Ansätze,
wie sie in dieser Erfindung offenbart sind, die direkt an der durch
Kollagen und/oder vWF-Faktor induzierten Plättchenadhäsion angreifen, lässt sich
das Potenzial für
zukünftige
Verbesserungen in der Behandlung kardiovaskulärer Störungen beisteuern.
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Mehrere
neue Inhibitoren, welche die Plättchenadhäsion verhindern,
sind gegen vWF gerichtete, monoklonale Antikörper. Man hat bereits vorgeschlagen,
dass Glycoprotein-IIb/IIIa-Inhibitoren für die Hemmung der Plättchenadhäsion von
Vorteil sein können.
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Einige
dieser Inhibitoren, wie der monoklonale Ak c7E3, wurden bereits
klinisch getestet, während
andere, wie die KGD- und RGDF-Inhibitoren, noch weiter untersucht
werden. Die Spezifität
der meisten dieser neuen Inhibitoren ist jedoch nicht sehr gut untersucht,
so dass das Spektrum von Nebenwirkungen, die durch Verwendung dieser
Inhibitoren induziert werden, noch offen ist und eine sorgfältige Untersuchung
verdient.
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Eine
reichhaltige Quelle für
das Screening neuer Verbindungen, welche die kollageninduzierte
Plättchenadhäsion stören, ist
in der Natur durch blutsaugende Tiere gegeben. Mehrere Inhibitoren
wurden aus der Natur isoliert, wie in der Literatur beschrieben
ist: Ein als Calin bezeichnetes, aus Hirudo medicinalis isoliertes 65-kD-Protein
(
US 5,587,360 , WO 92/07005)
(Munro, R., et al., Blood Coagulation und Fibrinolysis, 1991, 2, 179–184) und
ein aus den Speicheldrüsen
des Egels Haemenferia officinalis isoliertes 16-kD-Protein (LAPP) (
US 5,324,715 ). Beide Proteine
wurden als Aggregationsinhibitoren beschrieben, wie in statischen
Assays der kollagenabhängigen
Plättchenaggregation
getestet wurde.
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Trotz
nachgewiesener In-vitro-Aktivität
war LAPP in mehreren gut etablierten In-vivo-Modellen unwirksam
(Schaffer L. W. et al., Arterioscler. Thromb., 1993, 13, 1593–1601, und
Connolly T. M. et al.; Thromb. Haemostas., 1993, 69, 589). Die Lederzecke,
Omithodoros moubata, enthält
ebenfalls ein Anti-Plättchen-Protein (Moubatin),
das bei der Verhinderung der kollagenstimulierten Plättchenaggregation
wirksam ist (Waxman, L. et al.; J. Biol. Chem., 1993, 268, 5445–49). Ein
weiterer Inhibitor der Plättchenaggregation
aus einer blutsaugenden Wanze wurde in WO 9309137 von Noeske-Jungblut
C. et al. offenbart. Smith et al. haben ein 50-kDa-Protein aus Schlangengift
isoliert, und ein 19-kDa-Protein wurde aus dem Speichel von Triatoma
pallidipennis, einer blutsaugenden Wanze, isoliert. Es stellte sich
heraus, dass das Protein einen Faktor enthält, der spezifisch die kollageninduzierte
Plättchenaggregation
hemmt. Das 19-kDa-Protein
namens Pallidipin hemmt die kollagenvermittelte Aggregation von
Plättchen
in Plasma. Es wurde keine Hemmung der Aggregation nachgewiesen,
die durch andere Effektoren (ADP, Thrombin, Thromboxan-A2-Mimetikum U46619,
Phorbolester) stimuliert wurde. Pallidipin hatte keine Wirkung auf
die Plättchenadhäsion an
Kollagen, hemmte jedoch die ATP-Freisetzung aus Plättchen.
Es tritt in reversible Wechselwirkung mit Plättchen und kann mit Kollagen
zusammen eine gemeinsame Zielstruktur auf diesen besitzen. Der genaue
Wirkmechanismus und der therapeutische Nutzen dieses Proteins werden
zurzeit untersucht. Gan et al. beschrieben Echistatin als Inhibitor,
der an den Fibrinogenrezeptor GP IIa/IIIb bindet (J. Biol. Chem,
1988, 263, 19827–32).
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Trotz
dieser aufregenden Entwicklungen besteht weiterhin ein Bedarf an
der Bereitstellung weiterer Antikoagulanzien und an Anti-Thrombin
mit einer gesteigerten Wirksamkeit bei der Hemmung der Gerinnselbildung,
der vWF-induzierten Plättchenaktivierung
oder der Endothelzellaktivierung, die pharmazeutisch verwendet und
in kommerziell machbaren Mengen hergestellt werden können.
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Da
keines der bisher beschriebenen Proteine sich zu einer Verbindung
mit idealem therapeutischem Profil entwickelt hat, haben sich die
Erfinder der vorliegenden Erfindung entschlossen, mit einer neuen
Screening-Strategie vorzugehen, um mehr relevante Proteine zu entdecken.
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Beschreibung
der Erfindung
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In
dieser Erfindung ist ein aus H. medicinalis isolierter Inhibitor
beschrieben, der direkt auf die Kollagen-Plättchen-Wechselwirkung einwirkt
und somit die Plättchenaktivierung
und die frühe
Plättchen-Plättchen-Wechselwirkung
hemmt.
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Bisher
gibt es kein positives Beispiel in der Literatur, das zeigt, dass
man unter Verwendung eines Screening-Ansatzes, der Aggregationsinhibitoren
sowie lytische Proteine aus einer Quelle natürlich vorkommender Verbindungen
ausschließt,
neue anti-adhäsive
Mechanismen oder -ver-bindungen identifizieren kann. Diese Strategie
wurde jedoch in dieser Erfindung verwendet. Da von mindestens sechs
verschiedenen Glycoproteinen der Plättchenoberfläche bekannt
ist, dass sie an der Kollagenadhäsion
beteiligt sind, und zusätzlich für mehrere
von Plättchen
stammende Verbindungen, wie von-Willebrand-Faktor, Fibronectin und
Thrombospondin, gezeigt worden ist, dass sie als direkte Mediatoren
der Kollagen-Plättchen-Adhäsion beteiligt
sind, gab es zu Beginn wenig Optimismus, dass neue Adhäsionsinhibitoren
identifiziert werden.
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Trotzdem
wurde dieser Ansatz für
das Screening von Hirudo medicinalis-Speichel mit der Kenntnis verwendet,
dass nicht alle dokumentierten oder unbekannten mit vWF verwandten
Inhibitoren sowie Verbindungen, die direkt an Plättchenrezeptoren wirken, ausgeschlossen
werden konnten. Daher war das Ergebnis des Screenings eine Überraschung:
Ein neues, als Saratin bezeichnetes Protein mit anti-adhäsiver Aktivität für Plättchen,
das aus Geweben und Sekreten des gut untersuchten Egels der Spezies
Hirudo medicinalis isoliert werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst das aktive Polypeptid Saratin, das
aus dem Egel Hirudo medicinalis isoliert wurde. Das Protein wurde
aus Speichel durch eine Kombination aus Druckdialyse und mindestens
einem Chromatographieschritt, wie Anionenaustauschchromatographie,
und mindestens einem Umkehrphasen-Hochleistungschromatographie-
(RP-HPLC-)Schritt isoliert. Es stellte sich heraus, dass der Druckdialyseschritt
während
der Gewinnung von Saratin aus Speichel absolut entscheidend war,
weil die starke Konzentration von Speichel dazu beitrug, den ansonsten
erheblichen Verlust an biologisch aktivem Saratin zu überwinden.
Das isolierte Saratin bindet fest an mehrere Kollagene und blockiert
die Adhäsion
von Plättchen
an kollagenbeschichtete Oberflächen
auf dosisabhängige
Weise.
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Zur
Optimierung der Screening-Kaskade wurden zurzeit verfügbare Techniken
entwickelt, so dass zwischen Plättchenadhäsion und
Plättchenaggregation
unterschieden werden konnte: die Fähigkeit von Plättchen,
den Fluss durch Fasern zu verzögern
oder zu stoppen, der Beitrag von Plättchen zur In-vitro-Gerinnselbildung,
Glaskugel-Adhäsionslaboratorien
oder Gesamtblutflüsse
durch den Filter und die Plättchenadhäsion von
antikoaguliertem plättchenreichem
Plasma an Filter, die aus Glasfasern oder Kollagen bestehen, unter
einem gesteuerten Druckgradienten.
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Das
(als Saratin bezeichnete) Protein ist durch die in der Sequenz (SEQ.
ID. NR. 2) dargestellten Aminosäuresequenzen
charakterisiert und setzt sich aus 103 Aminosäuren zusammen, die ein theoretisches
relatives Molekulargewicht von etwa 12068 Dalton ± 1 kDa
ausmachen. Das Protein weist eine einzigartige Primärstruktur
ohne signifikante Ähnlichkeit
zu anderen, zuvor beschriebenen Sequenzen auf. Das Protein ist reich
an Asparagin- und Glutaminsäure,
die zu dem niedrigen isoelektrischen Punkt von pH 3,7 ± 0,5 des
Moleküls,
wie durch IEF-PAGE gemessen, beitragen.
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SDS-PAGE-Analyse
zeigte eine starke Verschiebung in der Mobilität nach Reduktion des Proteins
vor der Elektrophorese, was auf posttranslationale Modifikationen
hinweist. Die Sequenzierung des Polypeptids zeigte sechs Cysteinmoleküle, die
posttranslationale Modifikationen des Proteins darstellen könnten. Elektrospray-Massenspektrometrie
von Saratin zeigte ein tatsächliches
Molekulargewicht von 12061, was darauf hindeutet, dass bis zu drei
Disulfidbindungen an der Bildung der Sekundärstruktur der nativen Form
des Proteins beteiligt sind.
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Der
erfindungsgemäße Adhäsionsinhibitor
ist neu, weil er sich von bekannten, aus Egeln isolierten Aggregationsinhibitoren
und insbesondere von Calin oder LAPP im Hinblick auf das Molekulargewicht,
den isoelektri schen Punkt und die Aminosäuresequenz und in den biologischen
Aktivitäten
unterscheidet.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine gut isolierte DNA bereit, die
ein Polynucleotid umfasst, das den aus Egel stammenden Plättchenadhäsionsinhibitor
mit der Aminosäuresequenz,
wie für
das Protein gezeigt, umfasst. Die Nucleotidsequenz, die dem cDNA-Klon
entspricht, ist in SEQ. ID. NR. 1 gezeigt, Position 1–63 der
Nucleotidsequenz stellt eine mutmaßliche 21 Aminosäuren lange
Leadersequenz dar, und Position 64–372 enthält einen offenen Leserahmen,
der ein Polypeptid mit 103 Aminosäureresten und einer Aminosäuresequenz,
wie für
das reife Protein in SEQ. ID. NR. 2 gezeigt, codiert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch rekombinante Vektoren, die das
synthetische Gen enthalten, das den erfindungsgemäßen, aus
Egel stammenden Plättchenadhäsionsinhibitor
codiert, und eine Wirtszelle, welche die rekombinanten Vektoren
enthält.
Verfahren zur Gewinnung und Isolation der exprimierten Proteine basierten
auf Tag-Technologien oder wurden aus dem für das natürlich vorkommende Saratin entwickelten Reinigungsschema
adaptiert. Je nach den einzelnen Protokollen, die zur extrazellulären oder
intrazellulären Expression
in Hefezellen, Insektenzellen, Baby-Hamster-Nierenzellen und E.
coli-Zellen, die mit den geeigneten Vektoren transformiert wurden,
verwendet werden, müssen
die Schritte zur Gewinnung des rekombinanten Proteins aus dem Überstand
oder den Sedimenten durch dem Fachmann bekannte Techniken angepasst
werden. Eine ausgezeichnete Expression wurde in E. coli als Wirt
gefunden, wobei durch Insertion einer pelB-Leadersequenz eine periplasmatische
Expression beigesteuert wurde. Die Gewinnung der Produkte aus Escherichia
coli (E. coli) (etwa 5 mg/l) wurde nach Osmolyse und Zentrifugation
erhalten. Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) (> 10 mg/l Kulturbrühe) wurde
mit dem alternativen, an Hefe angepassten Vektor in einem parallelen
Experiment verwendet. Das sezernierte Material wurde mittels Zentrifugation
isoliert. Die Reinigung wurde durch Tangential flussfiltration und
Ionenaustauschchromatographie erzielt. Bei anderen Expressionsansätzen entweder
unter Verwendung von COS-Zellen oder CHO-Zellen betrug die Produktexpression
etwa 750 ng/ml. Das gereinigte rekombinante Material erwies sich
mittels elektrophoretischer und chromatographischer Analyse als
rein und homogen sowie identisch zu dem aus Speichel stammenden
Saratin, wie durch Aminosäuresequenzierung
und Molekülmassenbestimmung
gezeigt wurde.
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Die
Erfindung umfasst ferner Verfahren zur Reinigung des aktiven Proteins
aus rohem Speichel des Egels und Messen seiner Aktivität gegen
Plättchen
mithilfe statischer und dynamischer Assayverfahren sowie die Verwendung
dieses Verfahrens zur Isolation von rekombinantem Protein.
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Techniken
zur Herstellung von Saratin umfassen die Beispiele 6, 7, 8 und 13,
wobei jedoch die zu verwendenden Expressionsverfahren nicht auf
diese Beispiele beschränkt
sind. Zum Beispiel können
transgene Mäuse
oder andere Organismen, einschließlich anderer Säuger, ebenfalls
für die
Expression von Saratin verwendet werden.
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Erfindungsgemäße Proteine
umfassen Varianten, welche die Aktivität der offenbarten Sequenzen
beibehalten, einschließlich
Fragmenten oder Untereinheiten, natürlich vorkommender Varianten,
allelischer Varianten, zufällig
erzeugter künstlicher
Mutanten und absichtlicher Sequenzvariationen, wie Hinzufügung, welche die
Aktivität
beibehalten. Fragmente oder Untereinheiten betrifft jeden Anteil
der Sequenz, der weniger Aminosäuren
als das vollständige
Protein enthält,
z.B. partielle Sequenzen, die Anteile des N- und/oder C-Terminus des
vollständigen
Proteins ausschließen.
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Die
Erfindung erstreckt sich ferner auf Hybridproteine, wie Fusionsproteine
oder Proteine, die sich aus der Expression mehrerer Gene innerhalb
des Expressionsvektors ergeben, und kann ein Polypeptid mit der spezifischen
Aktivität
eines offenbarten Proteins, das über
Peptidbindungen an ein zweites Polypeptid gebunden ist, umfassen.
Insbesondere sind andere Varianten der erfindungsgemäßen Proteine
mit umfasst, insbesondere alle Varianten, die sich von dem isolierten
Protein nur durch konservative Aminosäuresubstitution unterscheiden.
Solche konservativen Aminosäuresubstitutionen
sind in Taylor et al., J. Mol. Biol., 1986, 188, 233 definiert.
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Ebenfalls
umfasst sind Verfahren zur Verwendung der Proteine, um die Plättchenaktivierung
durch Hemmung der Kollagen-Plättchen-Wechselwirkungen
zu verhindern oder zu verzögern.
Das Protein eignet sich zur Verhinderung, Prophylaxe, Therapie und
Behandlung thrombotischer Erkrankungen. Im Gegensatz zu all diesen
zuvor beschriebenen Proteinen, die an verschiedenen Oberflächenproteinen
auf dem Plättchen
angreifen, hat das erfindungsgemäße Protein
einen einzigartigen Wirkmechanismus. Es bindet fest an die Kollagenoberfläche, und
ein Wirkmechanismus ist durch die Bedeckung spezifischer Kollagenstellen
gegeben, die nicht mehr für
Wechselwirkungen und die Bindung von Plättchen zur Verfügung stehen.
Dieser Typ des neuen Mechanismus hat den großen Vorteil, dass die Plättchen während der
Applikation des Proteins funktionell intakt bleiben, so dass man
aus dieser Behandlung eine sehr niedrige oder sogar gar keine Blutungsneigung erwartet.
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Ein
weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Behandlung verschiedener
Oberflächen
mit dem Protein, um diese für
Plättchen
nicht-adhäsiv
zu machen und dadurch mit Blut kompatible Vorrichtungen herzustellen.
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Wie
vorstehend erwähnt,
eignen sich die erfindungsgemäßen Polypeptide
als pharmazeutisch wirksame Verbindungen in pharmazeutischen Zusammensetzungen
und Kombinationen.
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Die
erfindungsgemäßen pharmazeutischen
Formulierungen können
gegebenenfalls zusätzliche
Wirkstoffe, wie Aspirin, Antikoagulantien, wie Hirudin oder Heparin,
oder thrombolytische Substanzen, wie Plasminogenaktivator oder Streptokinase,
enthalten.
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Das
erfindungsgemäße neue
Polypeptid kann mit jeder nicht-toxischen organischen oder anorganischen
Säure pharmazeutisch
unbedenkliche Salze bilden. Anorganische Säuren sind zum Beispiel Salz-, Bromwasserstoff-,
Schwefel- oder Phosphorsäure
und saure Metallsalze, wie Natriummonohydrogenorthophosphat und
Kaliumhydrogensulfat. Beispiele für organische Säuren sind
die Mono-, Di- und Tricarbonsäuren,
wie Essig-, Glycol-, Milch-, Brenztrauben-, Malon-, Bernstein-,
Glutar-, Fumar-, Äpfel-,
Wein-, Citronen-, Ascorbin-, Malein-, Hydroxymalein-, Benzoe-, Hydroxybenzoe-,
Phenylessig-, Zimt-, Salicyl-, und Sulfonsäuren, wie Methansulfonsäure. Salze
der carboxyterminalen Aminosäureeinheit
umfassen die nicht-toxischen Carbonsäuresalze, die mit allen geeigneten
anorganischen oder organischen Basen gebildet werden. Zu diesen
Salzen gehören
beispielsweise Alkalimetalle, wie Natrium und Kalium, Erdalkalimetalle,
wie Calcium und Magnesium, Leichtmetalle der Gruppe IIIA, einschließlich Aluminium,
und organische primäre,
sekundäre
und tertiäre
Amine, wie Trialkylamine, einschließlich Triethylamin, Procain,
Dibenzylamin, 1-Ethenamin, N,N'-Dibenzylethylendiamin,
Dihydroabietylamin und N-Alkylpiperidin.
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Wie
hier verwendet, bedeutet der Ausdruck "pharmazeutisch unbedenklicher Träger" ein(en) inerte(s/n),
nicht-toxische(s/n) feste(s/n) oder flüssige(s/n) Füllstoff,
Verdünnungsmittel
oder Einkapselungsmaterial, der/das mit dem Wirkstoff oder mit dem
Patienten nicht nachteilig reagiert. Geeignete, vorzugsweise flüssige Träger sind
im Stand der Technik bekannt, wie steriles Wasser, Kochsalzlösung, wässrige Dextrose,
Zuckerlösungen,
Ethanol, Glycole und Öle,
einschließlich
solche mit Erdöl-,
tierischem, pflanzlichem oder synthetischem Ursprung, zum Beispiel
Erdnussöl,
Sojabohnenöl
und Mineralöl.
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Die
erfindungsgemäßen Formulierungen
können
als Einheitsdosen verabreicht werden, die herkömmliche nicht-toxische pharmazeutisch
unbedenkliche Träger,
Verdünnungsmittel,
Hilfsstoffe und Vehikel enthalten, die für die parenterale Verabreichung üblich sind.
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Der
Begriff "parenteral" umfasst hier subkutane,
intravenöse,
intraartikuläre
und intratracheale Injektions- und Infusionstechniken. Auch andere
Verabreichungen, wie orale Verabreichung und topische Applikation,
sind geeignet. Parenterale Zusammensetzungen und Kombinationen werden
am stärksten
bevorzugt intravenös,
entweder in einer Bolusform oder als konstante Fusion, gemäß bekannter
Verfahren verabreicht.
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Tabletten
und Kapseln für
die orale Verabreichung enthalten herkömmliche Excipienten, wie Bindemittel,
Füllstoffe,
Verdünnungsmittel,
Tablettierhilfsmittel, Gleitmittel, Auflösemittel und Benetzungsmittel.
Die Tabletten können
gemäß Verfahren überzogen
werden, die im Stand der Technik bekannt sind.
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Orale
flüssige
Zubereitungen können
die Form wässriger
oder öliger
Suspensionen, Lösungen,
Emulsionen, Sirupe oder Elixiere haben oder als trockenes Produkt
zum Auflösen
mit Wasser oder einem anderen geeigneten Vehikel vor Gebrauch dargereicht
werden. Solche flüssigen
Zubereitungen können
herkömmliche Zusatzstoffe,
wie Suspendierungsmittel, Emulgatoren, nicht-wässrige Vehikel und Konservierungsmittel,
enthalten.
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Topische
Applikationen können
in Form wässriger
oder öliger
Suspensionen, Lösungen,
Emulsionen, Gelees oder vorzugsweise Emulsionssalben erfolgen.
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Erfindungsgemäße Einheitsdosen
können
täglich
benötigte
Mengen des erfindungsgemäßen Proteins oder
mehrfache Unterteilungen davon enthalten, die die gewünschte Dosis
ausmachen. Die optimale therapeutisch unbedenkliche Dosierung und
Dosisrate für
einen gegebenen Patienten (Säuger,
einschließlich
Menschen) hängen
von einer Mehrzahl von Faktoren ab, wie der Aktivität des spezifischen
eingesetzten Wirkstoffs, dem Alter, Körpergewicht, allgemeinen Gesundheitszustand,
der Ernährung,
der Zeit und dem Verabreichungsweg, der Clearancerate, dem Behandlungs objekt,
d.h. Therapie oder Prophylaxe, und der Art der zu behandelnden thrombotischen
Erkrankung, Anti-Plättchen-
oder Antikoagulans-Aktivität.
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Daher
beträgt
in Zusammensetzungen und Kombinationen, die sich bei einem behandelten
Patienten (in vivo) als Antithrombotikum eignen, eine pharmazeutisch
wirksame tägliche
Dosis der erfindungsgemäßen Peptide
zwischen etwa 0,01 und 100 mg/kg Körpergewicht, vorzugsweise zwischen
0,1 und 10 mg/kg Körpergewicht.
Je nach der Applikationsform kann eine Einzeldosis zwischen 0,5
und 10 mg des Thrombininhibitors enthalten. Zur Erzielung einer
Antikoagulanswirkung in extrakorporalem Blut beträgt eine
pharmazeutisch wirksame Menge der erfindungsgemäßen Peptide zwischen 0,2 und
150 mg/l, vorzugsweise zwischen 1 mg und 20 mg/l extrakorporales
Blut.
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Gegenstand
dieser Erfindung ist auch die Bereitstellung einer implantierbaren
oder extrakorporalen medizinischen Vorrichtung für die Verwendung in Kontakt
mit Körperflüssigkeiten,
so dass die Oberfläche
der Vorrichtung im Wesentlichen thromboresistent gemacht wird, die
mit einem immobilisierten Polypeptid, wie vorstehend und in den
Ansprüchen
definiert, beschichtet ist. Das erfindungsgemäße Polypeptid wird auf einer medizinischen
Vorrichtung immobilisiert, um die Oberfläche biokompatibel und thromboresistent
zu machen. Solche Vorrichtungen haben manchmal Oberflächeneigenschaften,
die gewöhnlich
die Plättchenaggregation induzieren,
was für
ihre beabsichtigten Verwendungen in implantierbaren und extrakorporalen
Vorrichtungen in Kontakt mit Blut oder anderen Körperflüssigkeiten ein Nachteil ist.
Beispiele für
derartige Vorrichtungen, die allgemein aus Kunststoffmaterialien
und synthetischen Fasern hergestellt werden, sind Prothesen, künstliche Organe,
Augenlinsen, Nähfäden, künstliche
Gefäßabschnitte,
Katheter, Dialysatoren, Schläuche
und Blut enthaltende Gefäße.
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Eine
Trübung
der posterioren Kapsel (posterior capsule opacification, PCO) ist
trotz moderner Operationstechniken und Linsen, die für dieses Verfahren
eingesetzt werden, eine häufige
Komplikation nach einer Kataraktextraktion. Eine PCO wird durch
Proliferation und Wanderung von Linsenepithelzellen über die
posteriore Kapsel hervorgerufen, so dass die Sehschärfe verringert
wird. Physikalische Behandlungen sowie chemisch modifizierte Linsen
wurde zur Verringerung der Bildung von PCO vorgeschlagen. Eine Beschichtung
der Linse mit Heparin oder topische Heparin-Augentropfen werden zur Verringerung
von PCO eingesetzt, was zeigt, dass thrombogene Mechanismen an der
Bildung von PCO beteiligt sind.
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Von
Saratin wurde gezeigt, dass es gegenüber Heparin signifikante Vorteile
hinsichtlich der Verhinderung und Blockierung von Thrombogenität besitzt.
Daher ist ein weiteres Merkmal dieser Erfindung die Bereitstellung
einer Saratin umfassenden Beschichtung, welche die Thrombogenität des Linsenmaterials
verringert, das für
brechende Augenimplantate in die anteriore oder posteriore Kammer
verwendet wird, die chirurgisch in das Auge implantiert werden können. Diese
neue Art der Beschichtung vermeidet Probleme, die durch stimuliertes
Zellwachstum beigetragen werden. In Kombination mit anderen Medikamenten,
die beispielsweise Zelltot hervorrufen, trägt eine Saratin-Beschichtung
dazu bei, eine Trübung
der posterioren Kapsel vollständig zu
beseitigen.
-
Kurze Beschreibung
der Figuren
-
Einzelheiten
der Figuren sind in den Beispielen 1 bis 10 erläutert.
-
1 Trennung von Speichelkomponenten. Die
Elution von Saratin ist durch * markiert.
- a)
zeigt das Trennprofil von Speichel nach DEAE-Anionenaustausch. Saratin-Fraktionen
wurden aus Maximum 3 gesammelt (Beispiel 2).
- b) zeigt eine Rechromatographie vereinigter Fraktionen auf Mono
Q HR5/5. Proben wurden aus dem letzten Teil des Hauptmaximums gesammelt,
wie durch die Säule
angegeben (Beispiel 2).
- c) zeigt den letzten Chromatographieschritt auf semipräparativer
analytischer RP-HPLC von Saratin-positiven Fraktionen, die von der
Mono Q HR5/5 gesammelt wurden (Beispiel 2). Aktives Saratin wurde
aus dem Hauptmaximum (Maximum 3) gewonnen.
-
2 SDS-PAGE
der aus der RP-HPLC gesammelten Fraktionen. Saratin-positive Fraktionen
sind mit * markiert (Beispiele 2 und 3).
-
3 E.
coli-Expressionsvektor für
Saratin (Beispiel 7).
-
4 Baculo-Donorplasmid
für Saratin
(Beispiel 8)
-
5 Gesamtblut
wurde einer künstlichen
Kollagenoberfläche
ausgesetzt, und die Plättchenadhäsion wurde
mittels Färbung
dargestellt. Saratin wurde als Inhibitor (Protein #607) verwendet.
Beispiel 9
-
6 Hemmung
der Plättchenadhäsion auf
mit Kollagen Typ III beschichteten Deckgläsern unter Scherbedingungen.
Vergleich von Speichel und Saratin. Beispiel 9
-
7 Saratin
zeigt eine dosisabhängige
Hemmung der Plättchenbindungsadhäsion an
mit Kollagen Typ III beschichtete Deckgläser unter Scherbedingungen.
Beispiel 9
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8 Hefe-Expressionsvektor
für Saratin
(Beispiel 13)
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Beispiel 1
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Screening
nach Adhäsionsinhibitoren
-
Die
Plättchenadhäsion an
Kollagen war der funktionelle Hintergrund für das Screening von Speichelkomponenten.
Zusätzlich
wurden vier weitere Tests, die zur Untersuchung verschiedener Wirkungen
anti-thrombotischer Arzneistoffe verfügbar sind, wie der AZOCOLL-Assay,
der Assay der Amidaseaktivität,
der vWillebrand-abhängige
Bindungsassay und der Plättchenaggregationsassay,
dazu verwendet, funktionelle Eigenschaften auszuschließen, die
idealerweise nicht mit einem Adhäsionsinhibitor
in Verbindung stehen. Während
es sich bei den meisten dieser hier verwendeten Assays um Standardassays
handelt, musste der Plättchenadhäsionsassay
modifiziert werden, damit er unseren speziellen Bedürfnissen
entsprach. Kurz gesagt: Horm-Kollagen (Nycomed) wurde auf Platten
mit 96 Vertiefungen (Nunc) unter Verwendung von angesäuertem Kollagen
in einer Konzentration von 20 μg/ml
und Inkubation der Platten über
Nacht geschichtet. Nach 3-maligem Waschen der Platten mit PBS wurde
die restliche Oberfläche
der Vertiefungen mit 1% BSA blockiert. Plättchen, die frisch aus menschlichem
citronyliertem Blut isoliert wurden, wurden gleichzeitig mit Fraktionen, die
aus den einzelnen Säulenschritten
stammten, zugegeben. Wenn erforderlich, wurden eine Präaktivierung der
Plättchen
durch Inkubation der Plättchen
in TBS in Gegenwart zweiwertiger Magnesiumoxidionen vor der Verwendung
durchgeführt.
Roher Speichel, der auf eine Gesamt-Proteinkonzentration von 200 μg/ml standardisiert
wurde, wurde als Standard für
den Vergleich der Inhibitoraktivität verwendet. Es zeigte sich,
dass der Plättcheninhibitionsassay
sehr anfällig gegenüber Pufferveränderungen
und erhöhten
Salzkonzentrationen war. Weil alle Proben mittels Ionenaustauschchromatographie
verarbeitet worden waren, erwies sich ein direkter Test der Fraktionen
im Inhibitionsassay als kompliziert und unzuverlässig. Deshalb wurden alle zu
testenden Proben vor der Messung einem Konzentrationsschritt auf
Centricon-Basis zugeführt,
der gleichzeitig die Ionenstärke
verringerte und die Konzentration unterstützt.
-
Beispiel 2
-
Reinigung
des natürlichen
Inhibitors
-
Die
Erfindung verwendete von H. medicinalis gesammelten Speichel, von
dem bekannt ist, dass er eine Reihe biologisch aktiver Proteine,
wie Hirudin, Elastase-Inhibitoren, Kollagenasen und Plättchenaggregationsinhibitoren,
wie Calin (Munro, R. et al.; Blood Coagulation und Fibrinolysis,
1991, 2, 179–184)
und LAPP (Schaffer, L. W. et al.; Arterioscler. Thromb., 1993, 13,
1593–1601),
enthält.
Neben diesen charakterisierten Proteinen ist der Großteil der
etwa achtzig mittels SDS-PAGE nachweisbaren Proteine noch unbekannt.
Bei der vorliegenden Erfindung wurden der fraktionierte Speichel
und die Screening-Strategie, wie im Beispiel 1 beschrieben, für ein Screening
nach den neuen Proteinen, die direkt die Plättchen-Kollagen-Wechselwirkung stören, verwendet.
-
Die
Abtrennung einer Adhäsionsinhibitor-Aktivität aus rohem
Speichel erwies sich als schwierige Aufgabe, hauptsächlich aufgrund
des irreversiblen Verlusts des größten Teils der adhäsionshemmenden
Aktivität im
ersten Chromatographieschritt. Zusatzstoffe, wie 12% Ethanol und
zweiwertige Kationen, wie von Munro, R. et al. empfohlen, verbesserten
die Situation nicht. Die hohe Salzkonzentration im Speichel in Kombination mit
der niedrigen Gesamt-Proteinkonzentration (190–250 μg/ml) erforderten jedoch einen
anfänglichen
Konzentrations- oder Pufferaustauschschritt. Somit wurden verschiedene
Strategien für
die Anreicherung, Konzentration oder den Pufferaustausch untersucht.
Herkömmliche
Dialyse führte
zu einem vollständigen
Verlust der Aktivität.
Die meisten der übrigen
Standardtechniken, wie Ionenaustauscher, Affinitätssäulen, Größenausschluss (Verlust erfolgte
ungeachtet des Säulenharzes),
versagten unabhängig
von der Art der verwendeten Trenntechnologie oder des verwendeten
Puffers und der verwendeten Additive. Überraschenderweise zeigte sich,
dass Druckdialyse von 500 ml Speichel ein erfolgreiches Verfahren
zum Konzentrieren der Speichelproteine (etwa 30–40 Mal) und gleichzeitig zum
Beseitigen der ungewünschten
Pufferkomponenten war. Unerwarteterweise war das auf diese Weise
verarbeitete Speichelrohmaterial ein ideales Ausgangsmaterial für die weitere
Reinigung, und die Gewinnung anti-adhäsiver Komponenten mit biologischer
Aktivität
aus dem Speichel war kein wirkliches Problem mehr. Weil sich Kationenaustauscher-
oder Affinitätssäulen als
unzureichender Schritt bei der Reinigung erwiesen, wurde ein schwacher
Anionenaustauscher, wie DEAE-Fastflow
oder EMD-DEAE-Fractogel, verwendet. Es wurden 12% Ethanol und zweiwertige
Kationen getestet, die Ergebnisse waren jedoch mit oder ohne diese
Zusatzstoffe ähnlich.
Eine weitere Optimierung der Chromatographieschritte führte zu
einer Abfolge aus DEAE-Säule,
Mono-Q-Säule
und einer Umkehrphasen-RP18-Säule
als abschließenden
Schritt. Die Optimierung der Chromatographie-bedingungen wurde an
einem BiaCore-Chromatographie-system
unter Verwendung von analytischen Säulen, die von Pharmacia erhältlich sind,
durchgeführt.
Die für
den Betrieb der DEAE-Säule, der
Mono-Q-Säule
und der RP18-Säulen
verwendeten Gradienten sind in den 1a, b,
c angegeben. Die auf BiaCore basierende Trennung wurde unter Verwendung
von FPLC-Techniken an einen größeren Maßstab angepasst.
Die optimierten Laufbedingungen wurden nach der Anleitung des Herstellers
direkt in einen semi-präparativen
Trennmaßstab
umgewandelt, mit Ausnahme des RP18-Säulenschritts, der mit der Biacore-Technik
beibehalten wurde, um den Verlust an gereinigtem Material zu minimieren.
Die Gewinnung von gereinigtem Protein aus dem letzten chromatographischen
RP-Schritt erfolgte mittels Geschwindigkeitsvakuumzentrifugation.
Aus dem letzten RP-Schritt gesammelte Proben wurden gesammelt und
mittels SDS-PAGE analysiert (2). Anschließend wurden
Proben in PBS resuspendiert und für die Durchführung analytischer
sowie funktioneller Tests verwendet. Üblicherweise wurde eine Ausbeute
von etwa 750 μg/l
Saratin aus unverarbeitetem Speichel gewonnen.
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Beispiel 3
-
Biochemische
Charakterisierung
-
Die
Reinigung von Saratin, wie im Beispiel 1 offenbart, führte zu
einem im Wesentlichen reinen Protein mit einem apparenten Molekulargewicht
von etwa 21 kDa, das unter reduzierenden Bedingungen mittels SDS-PAGE
nachgewiesen wurde (2). Die vollständige Aminosäuresequenz
wurde durch direktes Sequenzieren der ersten 48 Aminosäuren des
gereinigten Proteins erhalten und durch Sequenzierung mehrerer interner
Peptide, die durch enzymatischen Abbau erzeugt wurden, vervollständigt. Die
vollständige
Proteinsequenz ist in SEQ. ID. NR. 2 offenbart.
-
Das
Protein besteht aus 103 Aminosäuren
mit einem berechneten Molekulargewicht von 12067,9 und einem tatsächlichen
Molekulargewicht von 12061,9, wie mittels ESI-Massenspektrometrie
abgeleitet wurde. Diese Unterschiede im theoretischen und im gemessenen
Molekulargewicht zeigen, dass alle sechs in Saratin identifizierten
Cysteine an der Bildung von S-S-Brücken beteiligt sind. Dieser
Befund wird durch die Beobachtung einer starken Veränderung
in der Mobilität
des Proteins bei der Chromatographie mittels SDS-PAGE unter reduzierenden
oder nichtreduzierenden Bedingungen unterstützt. Ferner ist das Protein
reich an sauren Säuren,
wie Glu und Asp. Die isoelektrische Fokussierung unter Verwendung
der IEF-PAGE- (Immobilin-) Technik ergab einen isoelektrischen Punkt
von pH 3,7 ± 0,5.
Bei einer Vergleichsstudie haben wir das gereinigte Egelprotein
als Bezug verwendet und es mit den physikalisch-chemischen Eigenschaften
von rekombinantem Saratin, das aus der Baculo-, Hefe- und E. coli-Expression
stammte, verglichen. Alle drei Proteine erwiesen sich als identisch
in ihren Eigenschaften.
-
Die
Charakterisierung des Proteins mittels SDS-PAGE, wobei es durch
Coomassie- (2) oder Silber-Färbung und/oder
Westernblot-Analyse sichtbar gemacht wurde, zeigte, dass das Protein
homogen war und in einer nicht-glycosylierten Form vorlag.
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Beispiel 4
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mRNA-Präparation
und cDNA-Synthese
-
RNA
wurde aus dem Blutegel, Hirudo medicinalis; unter Verwendung des
Guanidiniumthiocyanat-Verfahrens präpariert. Die mRNA wurde aus
der Gesamt-RNA unter Verwendung des "Oligotex-mRNA-Kits" (QIAGEN) gereinigt.
-
Unter
Verwendung des "Marathon-cDNA-Amplifikationskits" (CLONTECH) wurde
cDNA synthetisiert. Die Saratin codierende DNA-Sequenz wurde zu
Beginn unter Verwendung von PCR-Oligonucletidprimern gemäß der Anleitung
des Zulieferers amplifiziert. Nach der cDNA-Synthese wurde ein universeller
Adaptor an beide Enden der cDNA ligiert. Die Sequenzen des universellen
Adaptors und der universellen Primer AP1 oder AP2 wurden gemäß den Anleitungen
des Zulieferers des Kits ausgewählt.
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Beispiel 5
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Amplifikation
und Isolation des Saratin-Gens mittels PCR
-
Degenerierte
Primer wurden auf der Basis des unmittelbaren N-Terminus der revers
translatierten Saratin-Aminosäuresequenz
synthetisiert.
-
Diese
primer01 und primer02 wurden derart gestaltet, dass sie spezifisch
an das 5'-Ende der
Saratin-cDNA hybridisierten. Die Primergestaltung basierte auf der
revers translatierten Aminosäuresequenz
der experimentell bestimmten acht N-terminalen Aminosäuren des
gereinigten Saratin-Proteins.
Die zwei Primer primer01 und primer02 wurden derart synthetisiert,
dass die Degeneriertheit so klein wie möglich gehalten wurde und die
Primer am kritischen 3'-Ende
eine Abfolge von 8 Basenpaaren mit perfekter Übereinstimmung zu der Saratin-cDNA-Sequenz
erhielten, so dass eine effiziente und spezifische Amplifikation
der Matrizen-cDNA sichergestellt wurde. Gemäß dem DNA-Degenerationsalphabet
(IUPAC-Code) gilt:
R = A oder G; M = A oder C; Y = C oder T und N = A oder G oder C
oder T.
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Eine
3'-RACE-PCR-Reaktion
wurde unter Verwendung eines Gemischs von primer01 und primer02 und
einem universellen Primer AP1 oder AP2 durchgeführt. Die PCR-Produkte wurden
in den TA-Klonierungsvektor pCR2.1 oder pCR-Script-SK(+)-Vektor
kloniert und sequenziert. Nach der Sequenzierung mehrerer der erhaltenen
3'-RACE-PCR-Fragmente
wurde die Saratin-Gensequenz erhalten, mit Ausnahme der 5'-untranslatierten
Region, der Signalpeptidsequenz und der Sequenz, die die ersten
8 Aminosäuren
des N-Terminus des reifen Proteins codiert. Um die fehlende Saratin-cDNA-Sequenzinformation
zu erhalten, wurde ein 5'-RACE-Experiment unter
Verwendung eines genspezifischen Primers aus der Mitte der Saratin-cDNA
und eines der universellen Primer AP1 oder AP2 durchgeführt. Nach
der Sequenzierung mehrerer der erhaltenen 5'-RACE-PCR-Fragmente wurde die vollständige Saratin-Gensequenz
erhalten. Durch Amplifikation des Saratin-Gens mittels PCR unter
Verwendung genspezifischer, nicht-degenerierter Primer sowohl vom
3'-Ende als auch
vom 5'-Ende des
Saratin-Gens wurde ein Volllängen-Saratin-Gen
erhalten. Die DNA-Sequenzierung erfolgte mit mehr als 15 verschiedenen
PCR-Klonen. Es wurde
jedoch nur eine signifikante Veränderung,
die eine Aminosäuresequenzänderung
bewirkte, in nur einem Klon gefunden. Es ist sehr wahrscheinlich,
dass diese Veränderung
durch die PCR hervorgerufen wurde. Weitere fünf stille Austausche, die keine
Aminosäuresequenzveränderung
bewirken, wurden gefunden. Es ist somit unwahrscheinlich, dass diese
Veränderungen durch
die PCR hervorgerufen wurden, weil die gleichen Veränderungen
in verschiedenen Klonen gefunden wurden.
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Der
ORF des Saratin-Gens weist 372 bp auf und enthält eine 21 Aminosäuren lange
Signalsequenz sowie eine 103 Aminosäuren lange Sequenz, die das
reife Protein codiert. Es wurde gefunden, dass die von dem PCR-Klon abgeleitete
Aminosäuresequenz
identisch zu der Sequenz ist, die durch Sequenzieren des natürlichen,
aus Speichel stammenden Proteins erhalten wurde.
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Beispiel 6
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Expression in COS-Zellen
und Nachweis von exprimiertem Protein
-
Um
das Saratin-Gen in Säugerzellen,
wie COS oder CHO, zu exprimieren, wurde das Saratin-Gen aus dem
Vektor pCR-Script-SK(+) unter Verwendung von XhoI + XbaI ausgeschnitten
und in den Säugerzellexpressionsvektor
pCI-neo (Promega) kloniert. pCI-neo wurde ausgewählt, weil es den T7- und den
T3-Promoter für
die In-vitro-Expression und das Neomycinresistenzgen für die G418-Selektion
enthält
und sowohl in COS- als auch in CHO-Zellen verwendet werden kann.
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Zusätzlich zu
der Signalsequenz und der reifen Proteinsequenz enthält die Insertion
für eine
effiziente Translation eine Koz.-Sequenz am 5'-Ende und für den Nachweis der Proteinexpression,
-reinigung und -konzentration das His-Tag MRGS(H)6 am
3'-Ende (C-Terminus).
Das Plasmidkonstrukt wurde als pNC-31 bezeichnet.
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pNC-31-Plasmid-DNA
wurde zur Transfektion von COS-Zellen verwendet. Die in der log-Phase
wachsenden COS-Zellen wurden zweimal mit PBS gewaschen und in einer
Konzentration von 1 × 107/ml in PBS gelöst. Dann wurden 12 μg Plasmid-DNA
(weniger als 50 μl
in H2O oder TE-Puffer) zu 0,7–0,8 ml
COS-Zellsuspension gegeben und in einem Elektroporationsgefäß gemischt.
Die Elektroporation wurde bei 1,9 kV, 25 μFD für 10 min durchgeführt und
auf eine 90-mm-Platte überführt. Nach
der Zugabe von 8 ml DMEM-Medium, das 10% FCS und Antibiotika enthielt,
wurden die Zellen drei Tage lang gezüchtet. Die Überstände und die Zellen wurden für die weitere
Proteinisolation und den Nachweis verwendet. Das exprimierte Protein
wurde durch das Westernblot-Verfahren unter Verwendung eines Anti-MRGS(H)6-Antikörpers
nachgewiesen. Die Reinigung erfolgte unter Verwendung von Chelatoren,
wie NTA oder Imidoessigsäure,
die an einer Säulenmatrix
immobilisiert und mit Metallionen, wie Co, Ni, oder Cu, modifiziert
waren.
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Beispiel 7
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Konstruktion des E. coli-Expressionsvektors
und Expression
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Aufgrund
der variablen Codonverwendung in verschiedenen biologischen Systemen
werden einige Codons in E. coli sehr selten verwendet. Um die Expression
einer optimierten Version in E. coli zu ermöglichen, musste das Gen gemäß Standardverfahren
hinsichtlich der E. coli-Codonverwendung umgewandelt werden.
-
Die
Expression in E. coli wurde unter Verwendung einer modifizierten
Version des Plasmids pASK75, das die tet-Promoterregion trägt, durchgeführt. (Skerra,
A., et al. Gene, 1994, 151, 131–135).
Kurz gesagt: Die Modifikation erfolgte durch Klonierung eines neuen
Linkers zwischen die XbaI- und
die HindIII-Stelle (3). Der neue Linker enthält die ompA-Leadersequenz,
eine andere multiple Klonierungsstelle und ein 6XHis-Tag an Stelle
des Strep-Tags.
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Für die Konstruktion
des Expressionsvektors für
Saratin war es notwendig, 5'-ClaI-
und 3'-Eco47III-Restriktionsstellen
durch das PCR-Verfahren einzuführen.
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Dafür wurden
der 5'-primer03
und der 3'-primer04
verwendet. Das PCR-Produkt
wurde zunächst
in das PCR-II-Vektorsystem (Invitrogen) kloniert und sequenziert.
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In
einem zweiten Schritt wurde das Saratin-Gen unter Verwendung der
Restriktionsstellen 5'-ClaI
und 3'-HindIII in
den modifizierten pASK75-Vektor
kloniert.
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Nach
Expression und Nachweis der Aktivität dieses rekombinanten Saratins
in einer zweiten PCR-Reaktion wurde das His-Tag entfernt, und das
Startcodon des Saratin-Gens wurde direkt mit der ompA-Leadersequenz
fusioniert. Der 5'-primer05
und der 3'-primer06
für diese
PCR-Reaktion sind im Sequenzprotokoll angegeben.
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Als
Beispiel für
die Expression in E. coli wurde der Expressionsvektor pRG72 (3),
der das Saratin-Strukturgen, fusioniert an die ompA-Leadersequenz, enthält, in kompetente
W3110-Zellen transformiert. Die Zellen wurden induziert, nachdem
sie bis zur mittleren log-Phase gewachsen waren. Das rekombinante Saratin
konnte 1 Stunde danach eindeutig nachgewiesen werden.
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Beispiel 8
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Konstruktion des Baculo-Donorplasmids
und Expression
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Für die Expression
von Saratin im Baculovirus-Expressionssystem wurde das Bac-To-BacTM-Baculovirus-Expressionssystem von Gibco
Life Technologies verwendet. Um ein Selektionssystem zu erhalten,
wurde die Leadersequenz des Melitins der Honigbiene an das Saratin-Gen
fusioniert, und um die Restriktionsstellen 5'-BamHI und 3'-KpnI einzufügen, wurde eine einzelne PCR-Reaktion
unter Verwendung von 5'-primer07 und
3'-primer08 durchgeführt.
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Das
entsprechende PCR-Produkt wurde in den PCR-II-Vektor (Invitrogen)
kloniert und sequenziert. Dann wurde die Melitin-Saratin-Fusion
unter Verwendung von 5'-BamHI
und 3'-KpnI in den
pFastBac-Vektor kloniert, was zu pTD13 führte (4). Die
Herstellung rekombinanter Baculoviren und die Saratin-Expression wurde
mit dem Bac-To-Bac-Expressionssystem durchgeführt. Das Donorplasmid pTD13
wurde in kompetente DH10Bac-Zellen
transformiert, die das Bacmid mit einer mini-attTn7-Zielstelle und
das Helferplasmid enthalten. Das mini-Tn7-Element auf dem Donorplasmid
kann in Gegenwart von Transpositionsproteinen, die auf dem Helferplasmid
bereitgestellt werden, an die mini-attTn7-Zielstelle auf dem Bacmid
transponieren. Kolonien, die rekombinante Bacmide enthielten, wurden
durch Zerstörung
des lacZ-Gens identifiziert. Minipräparations-DNA mit hohem Molekulargewicht
wird aus ausgewählten
E. coli-Klonen, die das rekombinante Bacmid enthalten, präpariert,
und diese DNA wurde dann zur Transfektion von Insektenzellen verwendet.
Eingehende Beschreibungen sind im Anleitungsblatt des Expressionskits
enthalten.
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Beispiel 9
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Plättchenadhäsion an Kollagen unter Flussbedingungen
-
(dynamischer Assay)
-
Im
Plättchenadhäsionsassay
wird menschliches Gesamtblut durch eine parallele Flusskammer perfundiert,
um die Adhäsionsaktivität von Plättchen an
mit Kollagen beschichtete Deckgläser
unter Hochscherfluss (wobei arterielle In-vivo-Bedingungen simuliert
werden) zu untersuchen, wie ursprünglich von Sakariassen et al.
(Meth. Enz., 1988, 169, 37–70)
beschrieben. Menschliches Plazentakollagen, Typ III (Sigma), das
in 50 mmol/l Essigsäure
solubilisiert war, wurde auf gereinigte Glasdeck gläser (18
mm × 18
mm) mit einer Retuschierungs-Airbrush aufgesprüht. Die Deckgläser wurden
bei 4°C über Nacht
in PBS aufbewahrt.
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Frisches
menschliches Gesamtblut (das mit 20 U/ml niedermolekularem Heparin
antikoaguliert war) wurde vor der Verwendung für 10 min bei 37°C vorgewärmt. Zubereitungen
von erfindungsgemäßen Proteinen wurden
auf die Deckgläser
pipettiert (30 μl
pro Deckglas) und für
10 min bei Raumtemperatur in einer Feuchtkammer inkubiert, bevor
sie in die Perfusionskammer eingebracht wurden. Man ließ das Blut
(für 5
min bei 37°C
bei einer Scherrate von 1300 s–1) durch die Kammer
perfundieren.
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Anschließend wurden
die Deckgläser
entnommen, in PBS gewaschen und für 30 min in 0,25% Glutaraldehyd
fixiert und danach mit May-Grünwald-Giemsa gefärbt. 9 zeigt ein typisches Beispiel. Eine ausgiebige
Bedeckung mit gefärbten
Plättchen
ist bei der unbehandelten Kontrolloberfläche zu erkennen. Eine vergleichbare,
mit Saratin vorbehandelte Oberfläche
zeigt eine drastisch verringerte (um 80%) Plättchenbindung. Die Plättchenadhäsion wurde,
wie in 5 gezeigt, mit einem Lichtmikroskop (Vergrößerung × 1000)
quantifiziert, das mit einem computerisierten Bildanalysator (Leica)
verbunden war. Die Ergebnisse wurden als der Prozentsatz der Oberfläche, der
mit Plättchen
und Plättchenaggregaten
bedeckt war, ausgedrückt.
-
Ein
Vergleich der inhibitorischen Speichelaktivität mit dem gereinigten Protein
wurde durchgeführt,
wie in 6 gezeigt. Die Plättchenadhäsion auf Deckgläsern, die
mit Kollagen Typ III beschichtet waren, bei einer Scherrate von
1300 s–1 mit
rohem Speichel (#616) erzeugte eine Hemmung von etwa 48% im Vergleich
zur Kontrolle. Gereinigtes Protein (#607; Saratin) zeigte eine Verringerung
der Plättchenablagerung
von etwa 81% bei standardisierten Proteinkonzentrationen. Die durch
Saratin induzierte Hemmung steigt auf dosisabhängige Weise mit höheren Konzentrationen
an gereinigtem Protein, wie in 7 dargestellt.
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Beispiel 10
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Immunisierung und Antikörper
-
Sobald
die erste Charge von hochgereinigtem natürlichem Protein zur Verfügung stand,
wurde unmittelbar mit der Immunisierung von Tieren begonnen. Immunseren
wurden in Kaninchen erzeugt, und Reagenzien mit hohem Titer waren
für das
weitere Screening verfügbar.
Zusätzliche
Antiseren waren verfügbar,
als die Peptidsequenz des vollständigen
Proteins zur Verfügung
stand, und drei synthetische Peptide wurden synthetisiert (Aminosäuresequenz
83–103,
13–30,
58–69),
die mit einem Standard-Linkerverfahren
an KLH gekoppelt und für
die Immunisierung verwendet wurden. Drei gegen ein N-terminales
Peptidesegment gerichtete Seren und zwei für C-terminate Peptide spezifische
Seren wurden etabliert. Als die Immunseren mit hohem Titer zur Verfügung standen,
war es möglich,
Elisa-Technologie zur Überwachung
und Quantifizierung der Reinigung von natürlich gereinigtem sowie rekombinantem
Protein zu verwenden. Somit konnte der zeitraubende und sehr arbeitsintensive
Plättcheninhibitionsassay
ersetzt werden und wurde nur zur Bestätigung des inhibitorischen
Potenzials des endgültig
gereinigten Proteins verwendet.
-
Beispiel 11
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Immunassays
zur Untersuchung der Saratin-Bindung
-
Angesäuertes Horm-Kollagen
(Nycomed) wurde zur Beschichtung von Mikrotiterplatten mit 96 Vertiefungen
(Nunc) verwendet, wobei 50 μl
der Kollagenlösung
(20 μg/ml)
wurde zur Beschichtung der Platten über Nacht verwendet wurden.
Vor dem Test wurden die Platten drei Mal mit PBS gewaschen und mit
einer BSA-Lösung
(1%) inkubiert, um unspezifische Adhäsion zu verhindern. Es wurden
50 μl Saratin
in einer Verdünnungsreihe
zugegeben, und sie wurden für
eine Stunde inkubiert. Die Platten wurden vor der Applikation eines
Anti-Saratin-Antikörpers
für den
Nachweis drei Mal gewaschen. Nach einem weiteren einstündigen Inkubationsschritt
wurde überschüssiger Antikörper entfernt,
und ein zweiter, mit Biotin markierter Antikörper wurde für den Nachweis
eingesetzt. Die Ablesung erfolgte über eine Streptavidin-POD-katalysierte
Farbreaktion mit Substraten, wie ODB-Tabletten (Dako), die bei 490
nm gemessen wurde.
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Beispiel 12
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Kompetitionsassay
für das
Screening nach Inhibitoren
-
Rekombinantes,
mit einem Tag (His-Tag) versehenes Saratin, das wie im Beispiel
7 beschrieben hergestellt wurde, wurde mit nativem Saratin ohne
Tag im Hinblick auf die Kollagen-Bindung verglichen. Mit angesäuertem Horm-Kollagen
(Nycomed) beschichtete Platten wurden wie im Beispiel 11 beschrieben
hergestellt. Der Nachweis wurde mittels Kaninchen-Anti-Saratin-Antikörpern durchgeführt. Die
Saratine mit und ohne Tag zeigten identische Bindungseigenschaften.
Alternativ wurde die nicht mit einem Tag versehene Saratin-Version
mittels Biotinylierung (Pierce, Biotinylierungskit) modifiziert
und mit unverändertem
Saratin verglichen. Die Bindungseigenschaften an Kollagen waren
identisch. Ferner wurden Experimente durchgeführt, wobei das biotinylierte
Saratin dazu verwendet wurde, mit unmodifiziertem Saratin, Peptiden,
aus Speichel stammendem Saratin, vollständigem Speichel oder gegen
Saratin gerichteten Antikörpern
kreuzzukonkurrieren. Die Bindung der verschiedenen "Konkurrenten" an Kollagen wurde
getestet, indem die Bindung von biotinyliertem Saratin unter Verwendung
eines Streptavidin-POD-Konjugats und der ODB-Substratreaktion für den Nachweis
bestimmt wurde. Dieser Assay, der biotinyliertes Saratin umfasste,
wurde üblicherweise
für die Bestimmung
der Saratin-Konzentration
in Speichel (750 μg/l),
die Epitopkartierung von gegen Saratin gerichteten Antikörpern, die
Untersuchung von biologisch aktivem Saratin, mutiertem Saratin verwendet.
Um das Potenzial des Assays zu untersuchen, wurden blockierende
sowie nicht-blockierende Anti-Saratin-Antikörper, die mit spezifischen
Saratin-Peptiden erzeugt worden waren, verwendet.
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Beispiel 13
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Hefe-Expressionsvektor
und Expression
-
Das
Pichia-Multikopien-Expressionssystem (Invitrogen) wurde als typisches
Beispiel für
die Hefe-Expression verwendet. Die Konstruktion des Hefe-Expressionsvektors
ist in 8 dargestellt. Zur Herstellung des Expressionsvektors
für Saratin
wurde das PCR-Amplifikationsverfahren dazu verwendet, Restriktionsenden
(5'-EcoRI, 3'-NotI), die mit der
Ligation in den geeigneten Vektor (pPIC9K) kompatibel waren, herzustellen. Die
folgenden 5'-primer09
und 3'-primer10
wurden eingesetzt.
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Vor
der Transformation der Pichia-Sphäroplasten wurde der Expressionsvektor
mit Sal I linearisiert. Ein Screening der Kolonien nach His+Mut+-positiven Mutanten
wurde durchgeführt,
um die Integration des Saratin-Gens
sicherzustellen. Übliche
Wachstumsbedingungen waren: 28–30°C bis zu
einer optischen Dichte von OD 2–6.
Die Induktion der Expression erfolgte nach dem Resuspendieren zentrifugierter
Zellen in Medium und der Zugabe von Methanol bis auf eine Endkonzentration
von 0,5% und Beibehalten dieses Zustandes für einen längeren Zeitraum, der üblicherweise
24 Stunden beträgt.
Nach einem typischen Fermentationszeitraum von 6 Tagen wurde das
Produkt aus dem Überstand
gewonnen und mittels SDS-PAGE und ELISA analysiert.
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