DE60038544T2 - Metastasemodelle mit grünfluoreszierendem protein (gfp) als marker - Google Patents

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Description

  • Fachgebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Untersuchung von Tumorprogression. Sie betrifft insbesondere Modellsysteme zur Untersuchung der Metastasierung von Tumoren in Wirbeltieren, und Modelle sowie Verfahren zur Evaluierung von potentiellen Arzneimitteln.
  • Hintergrund
  • Es ist seit langem anerkannt, daß die Fähigkeit von Tumorgeweben zu metastasieren einen wichtigen Teil der lebensbedrohlichen Eigenschaften von bösartigen Tumoren darstellt. Metastasierung bedeutet das Entstehen von Sekundärtumoren an Stellen abseits des Primärtumors. Deshalb kann es, trotz chirurgischer Entnahme des Primärtumors, unmöglich sein, das Fortschreiten der Erkrankung aufzuhalten. Das Verständnis des Mechanismus, durch den Metastasierung auftritt, wird maßgebend für die Entwicklung von Protokollen sein, durch welche das Wachstum von Sekundärtumoren kontrolliert werden kann. Um den Mechanismus der Metastasierung zu verstehen, wird es notwendig sein, ein Modell bereitzustellen, welches das Erkennen einer kleinen Zahl von Tumorzellen vor dem Hintergrund vieler Wirtszellen erlaubt, so daß Sekundärtumoremboli und Mikrometastasen in Echtzeit beobachtet werden können.
  • Andere haben die Extravasation und das initiale Einnisten bei der Tumormetastasierung unter Verwendung von extern fluoreszenzmarkierten Tumorzellen in vitro gezeigt. Khokha, R. et al., Cancer Metastasis Rev (1995) 14: 279–301; Koop, S. et al., Cancer Res (1995) 55: 2520–2523. Weiterhin waren Margolis, L. B. et al., In Vitro Cell Dev Biol (1995) 31: 221–226 in der Lage, die Migration von extern fluoreszenzmarkierten Lungentumorzellen in den Lungen von Wirtsmäusen in Gewebekultur sichtbar zu machen. Eine Langzeitbeobachtung war jedoch in allen Fällen wegen der Limitierung der exogenen Fluoreszenzmarkierungen nicht möglich. Es wurde gezeigt, daß retroviraler Transfer eines grün fluoreszierenden Proteins (GFP) zu stabilen Transfektanten menschlicher Krebszellen in vitro (Levy, J. P. et al., Nature Biotechnol (1996) 14: 610–614), sowie hematopoetischer Zellen (Grignani, F. et al. Cancer Res (1998) 58: 14–19 und Cheng, L. et al., Gene Therapy (1997) 4: 1013–1022), führt.
  • Versuche, solch ein Modell unter Verwendung des β-Galaktosidasegens als Marker bereitzustellen, wurden unternommen (Lin, W. C. et al., Cancer Res (1990) 50: 2808–2817; Lin, W. C. et al., Invasion and Metastasis (1992) 12: 197–209). Dieser Marker erwies sich jedoch als nicht zufriedenstellend, da frisches oder prozessiertes Gewebe nicht verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung stellt einen Marker zur Verfügung, der das Sichtbarmachen der Tumorinvasion und der Bildung von Mikrometastasen in lebendem, frischem Gewebe erlaubt. Durch das Bereitstellen geeigneter Kontrastmittel kann das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich an das Sichtbarmachen der Angiogenese in etablierten und wachsenden Tumoren angepaßt werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur auf Modelle des Tumorwachstums und der Metastasierung angewandt werden, sondern können, durch die Verwendung von retroviralen Vektoren, eingesetzt werden, um klinische Daten von menschlichen Patienten mit Tumoren zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet grün fluoreszierendes Protein (GFP) als Marker. Die heterologe Expression dieses Proteins wurde, vor allem um die Expression fusionierter DNA zu beobachten, in US-Patent Nr. 5,491,084 offenbart. Dieses Dokument beschreibt die Expression von GFP in E. coli und C. elegans und stellt die These auf, daß Zellen generell modifiziert werden können, um GFP zu exprimieren. Laut diesem Dokument erlaubt eine solche Expression nicht nur ein Verfahren, um die Expression fusionierter DNA zu beobachten, sondern auch die Möglichkeit, die Lokalisierung von Proteinen innerhalb der Zelle zu beobachten.
  • Der Teil der Erfindung, der ein Metastasemodell bereitstellt, wurde in einer Reihe von Publikationen gemeldet und beschrieben. Chishima, T. et al., Cancer Research (1997) 57: 2042–2047 beschreiben die Konstruktion eines dicistronischen Vektors, der das Gen für humanisiertes grün fluoreszierendes Protein (GFP) und Dihydrofolatreduktase (DHFR) enthält. Dieser Vektor wurde in CHO-K1 Zellen transfiziert, um Klon-38 zu erhalten. Klon-38 zeigte stabile GFP-Expression, die in Anwesenheit von Methotrexat (MTX) aufrechterhalten wurde. Zellen von Klon-38 wurden in Mäuse injiziert, um Tumorfragmente zu erhalten, die dann durch chirurgische orthotope Implantation (COI) auf die Eierstockserosa von Nacktmäusen implantiert wurde. Eine Metastasierung konnte in diesem Modell verfolgt werden.
  • Chishima, T. et al., Proc Natl Acad Sci USA (1997) 94: 11573–11576 beschreiben die Herstellung von Klon-26 durch die Transfektion von menschlichen Anip 973 Lungenadenokarzinomzellen mit dem Kodon-optimierten hGFP-S65T Klon von Clontech. Klon-26 wurde intravenös in Nacktmäuse injiziert und die daraus entstandenen Tumore in Gewebekultur verfolgt.
  • Chishima, T. et al., Clin Exp Metastasis (1997) 15: 547–552 und Chishima, T. et al., Anticancer Res (1997) 17: 2377–2384 beschreiben ähnliche Arbeiten mit Klon-26, wobei die Zellen subkutan in Nacktmäuse inokuliert wurden, was zu einem visualisierbaren Tumor führte, der dann durch COI in die viscerale Pleura von Nacktmäusen implantiert wurde. Metastasen wurden auch in diesem Modell beobachtet.
  • Chishima, T. et al., In Vitro Cell Dev Biol (1997) 33: 745–747 beschreiben die Gewebekultur von Klon-26 und das Sichtbarmachen des Wachstums unter Verwendung der von GFP emittierten Fluoreszenz.
  • WO 98/49336 beschreibt ein Verfahren zur Beobachtung der Expression von Metastasen von Primärtumoren unter Verwendung von grün fluoreszierendem Protein als Marker. Die Fluoreszenz ist nur in manchen Fällen ausreichend hell, um direkt durch die Haut gesehen zu werden.
  • Yang, M. et al., Cancer Res (1998) 58: 4217–4221 beschreiben die Transduktion der menschlichen Lungenkrebszelllinie H460 mit einem retroviralen Expressionsvektor, der verbessertes GPF enthält, um einen stabilen, hoch-GFP-exprimierenden Klon zu erhalten. Zellen aus dieser Zelllinie wurden in Nacktmäuse injiziert und die entstehenden, subkutan wachsenden, markierten Tumore durch COI in den linken Lungenflügel von Nacktmäusen transplantiert. Fluoreszenz von Metastasen im benachbarten Lungenflügel, in der Pleuramembran und im gesamten Skelettsystem konnte beobachtet werden.
  • Yang, M. et al., Cancer Res (im Druck) berichten ähnliche Studien unter Verwendung eines Prostatatumormodells und zeigen in Nacktmäusen Fluoreszenz im gesamten Skelettsystem.
  • Zusätzlich zum Vorstehenden, beschreiben Cheng, L. et al., Gene Therapy (1997) 4: 1013–1022 die Modifikation von hämatopoetischen Stammzellen unter Verwendung des GFP-Gens unter Kontrolle eines retroviralen Promotors. Obwohl die Autoren feststellen, daß humane Stammzellen mit diesem System nur schwer unter Verwendung einer verbesserten Form von GFP transfiziert werden können, konnte zufriedenstellende Helligkeit erreicht werden.
  • Zusätzlich berichten Grignani, F. et al., Cancer Res (1998) 58: 14–19 die Verwendung eines hybriden EBV/retroviralen Vektors der GFP exprimiert, um hoch effizienten Gentransfer in menschliche hämatopoetische Vorläuferzellen zu bewirken.
  • Vektoren, die verschiedene modifizierte Formen von GFP enthalten, um verschiedene Farben bereitzustellen, werden von Clontech vertrieben. Die Clontech-Vektoren zur Expression in Säugerzellen stellen GFP unter die Kontrolle des Cytomegalovirus (CMV) Promotors.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt Modelle zur Verfügung, welche die gründliche Untersuchung der Bildung von Metastasen aus Primärtumoren in realistischer Weise und in Echtzeit erlauben. Durch Verwendung von grün fluoreszierendem Protein (GFP) als einen stabilen und leicht zu visualisierenden Marker, kann die Progression von Metastasen modelliert, und der Mechanismus in einem unversehrten Labortier aufgeklärt werden.
  • Daher ist ein Aspekt der Erfindung auf ein Verfahren zur Verfolgung der Progression von Metastasen eines Primärtumors gerichtet, wobei das Verfahren das Sichtbarmachen von Fluoreszenz in einem ganzen Laborwirbeltier durch fluoreszente optische Tumorbildgebung in Echtzeit (FOTB) umfaßt, wobei das Tier verändert wurde, um GFP-exprimierende Tumorzellen zu enthalten.
  • Das Laborwirbeltier kann ein Modellsystem darstellen, wie ein immungeschwächtes oder syngenes Tier, wobei Tumorzellen oder ein Tumor, der verändert wurde, um grün fluoreszierendes Protein zu exprimieren, in das Tier eingebracht wurden. Das Modellsystem kann verwendet werden, um potentielle Arzneimittel oder Protokolle nach ihrer Fähigkeit, Metastasierung zu verhindern, zu bewerten. Alternativ kann das Subjekt ein Labortier sein, das einen natürlichen Tumor enthält, wobei jedoch der Tumor einer viralen Infektion oder Transfektion mit einem retroviralen Vektor unterzogen wurde, um GFP zu produzieren. Die Wirksamkeit von Arzneimitteln, die solchen Patienten oder Subjekten verabreicht wurden, sowie der Verlauf der Krankheit, kann durch das Verfolgen der Metastasierung in dem Subjekt bewertet werden.
  • Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren, um die Angiogenese in soliden Tumoren zu beobachten und zu verfolgen, wobei das Verfahren das Beobachten der Tumore in einem Subjekt umfaßt, welche modifiziert wurden, um GFP zu exprimieren, und wobei dem Subjekt ein Kontrastmittel verabreicht worden sein wird, um diese Beobachtung zu ermöglichen.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • Die 1a und 1b zeigen die Konstruktion von Expressionsvektoren, die in der Erfindung nützlich sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung stellt Modellsysteme für die generelle Untersuchung der Mechanismen der Metastasierung von Tumoren zur Verfügung, sowie für die Untersuchung der Angiogenese in soliden Tumoren. Der sichtbare Marker grün fluoreszierendes Protein (GFP) wird benutzt, um die Tumorzellen zu markieren, so daß ihre Wanderung und Kolonisierung in Geweben, die distal des Tumors liegen, verfolgt werden kann, während diese Wanderung und Kolonisierung voranschreitet. Des Weiteren kann das Wachstum von Blutgefäßen in soliden Tumoren, die mit GFP markiert wurden, durch das Verabreichen eines Kontrastmittels, wie z. B. Rhodamin, an das Subjekt, beobachtet werden.
  • Da ausreichende Intensität erreicht werden kann, um die Wanderung der fluoreszenten Zellen im unversehrten Labortier zu beobachten, kann die Progression der Metastasierung im unversehrten Subjekt in Echtzeit beobachtet werden. Jedes dieser Verfahren, bei denen das Tier geöffnet wird, kann eingesetzt werden, um Metastasierung bei der Bewertung der Wirksamkeit von potentiellen antimetastatischen Arzneimitteln, in Modellsystemen, zu beobachten. Der Erfolg oder Mißerfolg von Behandlungsformen, die Patienten mit potentiell metastasierenden Krebsarten zur Verfügung gestellt werden, kann ebenfalls unter Verwendung der Materialien und Verfahren der Erfindung verfolgt werden.
  • Die Markierung, die in den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird, ist grün fluoreszierendes Protein (GFP). Das native Gen, das dieses Protein kodiert, wurde aus der biolumineszenten Qualle Aequorea victoria kloniert (Morin, J. et al., J Cell Physiol (1972) 77: 313–318). Die Verfügbarkeit dieses Gens hat es ermöglicht, GFP als Marker für die Genexpression zu verwenden. GFP selbst ist ein Protein aus 283 Aminosäuren, mit einem Molekulargewicht von 27 kD. Es erfordert weder weitere, aus seiner nativen Quelle stammenden Proteine, noch Substrate oder Kofaktoren, die nur in seiner nativen Quelle vorhanden wären, um zu fluoreszieren (Prasher, D. C. et al., Gene (1992) 111: 229–233; Yang, F. et al., Nature Biotechnol (1996) 14: 1252–1256; Cody, C. W. et al., Biochemistry (1993) 32: 1212–1218). Mutanten des GFP-Gens haben sich als nützlich für die Verbesserung der Expression und die Modifizierung der Anregung und Fluoreszenz erwiesen. GFP-S65T (worin Serin an Position 65 durch Threonin ersetzt ist) ist im erfindungsgemäßen Verfahren besonders nützlich und weist ein einzelnes Anregungsmaximum bei 490 nm auf (Heim, R. et al., Nature (1995) 373: 663–664); U.S. Patent Nr. 5,625,048 ). Andere Mutanten wurden außerdem von Delagrade, S: et al., Biotechnology (1995) 13: 151–154; Cormack, B. et al. Gene (1996) 173: 33–38 und Cramer, A. et al., Nature Biotechnol (1996) 14: 315–319 offenbart. Zusätzliche Mutanten sind auch in U.S. Patent Nr. 5,625,048 offenbart. Durch geeignete Modifizierungen kann das Spektrum des von GFP emittierten Lichts verändert werden. Deshalb sind, obwohl in der vorliegenden Anmeldung der Begriff "GFP" verwendet wird, die Proteine, die in dieser Definition beinhaltet sind, nicht notwendigerweise grün in ihrer Erscheinung. Verschiedene Formen von GFP zeigen andere Farben als grün, und auch diese sind in der Definition von "GFP" beinhaltet und nützlich in den Verfahren und Materialien der Erfindung. Zusätzlich wird festgestellt, daß grün fluoreszierende Proteine, die in die hierin verwendete Definition von "GFP" fallen, aus anderen Organismen, wie z. B. der Seefeder Renilla reriformis isoliert wurden. Jede geeignete und dienliche Form des GFP-Gens kann verwendet werden, um die Tumorzellen, die in den erfindungsgemäßen Modellen verwendbar sind, zu modifizieren und um endogene Tumore retroviral zu transformieren. Zu Illustrationszwecken wird in den unten ausgeführten Beispielen der spezielle, humanisierte Klon hGFP-S65T verwendet.
  • Allgemeine Techniken, um Zellen mit GFP zu markieren, sind in US 5,491,084 offenbart (supra).
  • In einer Anwendung stellt die erfindungsgemäße Methode ein Modellsystem für die Untersuchung der Effekte von verschiedenen therapeutischen Kandidatenprotokollen und -substanzen auf das metastatische Wachstum von Tumoren bereit.
  • Im Allgemeinen schließt das Modell das Modifizieren eines Wirbeltiers, vorzugsweise eines Säugetiers, ein, um Tumorgewebe zu enthalten, wobei die Tumorzellen selber modifiziert wurden, um ein Expressionssystem für GFP zu enthalten. Die Tumorzellen können von Zelllinien stammen, wobei die Tumorzellen modifiziert wurden, um Expressionssysteme für GFP, sowie optional für einen Immortalisierungsfaktor, z. B. SV40 T-Antigen, zu beinhalten. Tumore können in solchen Wirbeltiersystemen durch die Verabreichung der transformierten Zellen, die das GFP-Expressionssystem beinhalten, und durch das Zulassen, daß diese transformierten Zellen Tumoren bilden, gebildet werden. Typischerweise ist solch eine Verabreichung subkutan und die Tumore werden als feste Anhäufungen gebildet. Die so gebildeten Tumore können in jedes geeignete Wirtsgewebe implantiert und progredieren, metastasieren und sich entwickeln gelassen werden.
  • Daher beinhalten geeignete Vorgehensweisen, um den ursprünglichen Tumor wachsen zu lassen, die transkutane Injektion von GFP produzierenden Tumorzellen, wie z. B. CHO-Zellen, HeLa-Zellen, Karzinom- und Sarkomzelllinien, gut etablierte Zelllinien wie z. B. die menschliche Lungenadenokarzinomlinie Anip 973, oder die Lungenkrebszelllinie H460, sowie die GFP beinhaltenden menschlichen Brustkrebslinien MDA-MB468 und MDA-MB435, die menschlichen Prostatakrebslinien PC3 und DU-145, die menschliche Glioblastomlinie 324, das Mausmelanom B16 und andere, die im Gebiet verfügbar werden könnten, sowie Zellen, die durch erfindungsgemäße Verfahren immortalisiert wurden. Die verabreichten Zellen werden modifiziert worden sein, um ein Expressionssystem für GFP zu beinhalten. Nach der Verabreichung entwickeln sich im allgemeinen solide Tumore, typischerweise an der Stelle der subkutanen Injektion. Das Tier in welches diese Zellen implantiert werden, sollte entweder immungeschwächt oder syngen mit den implantierten Zellen sein. Diese Tumore, die selber fluoreszent sind, können dann entfernt und für die Implantation in das Modellwirbeltier verwendet werden.
  • Techniken zur Implantation von soliden, jetzt mit GFP markierten Tumoren in Wirbeltiere, insbesondere in Säugetiere, beinhalten die direkte Implantation durch chirurgische orthotope Implantation (COI) an der gewünschten Stelle, die typischerweise die Stelle ist, von der die Tumorzellen abstammen. Geeignete Stellen beinhalten die Lunge, die Leber, die Bauchspeicheldrüse, den Magen, die Brust, das Ovar, die Prostata, das Knochenmark, das Gehirn und andere Gewebe, die für bösartige Erkrankungen empfänglich sind. Abermals sollte das Subjekt immungeschwächt oder mit dem Tumor syngen sein. Sobald die soliden Tumore implantiert worden sind, wird das Wirbeltier zum Modellsystem für die Untersuchung der Metastasierung. Der Tumor wird deshalb progredieren und sich entwickeln gelassen und das Wirbeltier auf das Auftreten von GFP markierten Zellen an Stellen, die distal von der ursprünglichen Implantationsstelle liegen, hin beobachtet. Die Beobachtung wird in Echtzeit am gesamten Wirbeltier vorgenommen, da die Tumoren ausreichend hell sind, um das Öffnen des Tieres unnötig zu machen – sie, wie auch die Stellen der Metastasierung, können direkt durch die Haut gesehen werden. GFP ist für das bloße Auge sichtbar, so daß keine Entwicklungssysteme zum Anfärben des Gewebes notwendig sind. Obwohl die Beobachtung im unversehrten Tier bevorzugt ist, kann das Tier für Modellsysteme in Arzneimittelüberwachungsprotokollen geöffnet und/oder Gewebe entnommen werden, wenn erwünscht. Des Weiteren ist der Vergleich mit einem Kontrolltier wünschenswert.
  • Insbesondere ist es dienlich, die Wanderung von Tumorzellen im unversehrten Tier mit Hilfe von fluoreszenter optischer Tumorbildgebung (FOTB) sichtbar zu machen. Dies erlaubt die kontinuierliche Beobachtung und Überwachung des Fortschreitens der Metastasierung in Echtzeit, insbesondere was die Evaluierung von potentiellen antimetastatischen Arzneimitteln in Modellsystemen betrifft. So zeigt das relative Fehlen von Metastasierung, das direkt in Versuchstieren, die ein potentielles Arzneimittel verabreicht bekommen haben, im Vergleich mit Kontrolltieren, die das Arzneimittel nicht verabreicht bekommen haben, beobachtet wurde, die Wirksamkeit des potentiellen Arzneimittels und dessen Leistungsvermögen als Behandlungsform an. In Subjekten, die gegen Krebs behandelt werden, erlaubt die Verfügbarkeit von FOTB denjenigen, die Behandlungsprotokolle entwerfen, kontinuierlich über die Zweckmäßigkeit, das Protokoll zu ändern oder nicht zu ändern, informiert zu sein.
  • Geeignete Wirbeltiere zur Verwendung als Modellsysteme sind zweckdienliche Labortiere wie Hasen, Ratten, Mäuse und ähnliche. Wegen der größeren Ähnlichkeit zum Menschen könnten auch Primaten verwendet werden. Nützlich sind Subjekte, die besonders empfänglich für die Entwicklung von Tumoren sind, z. B. Subjekte mit beeinträchtigtem Immunsystem, wie Nackt- oder „SCID"-Mäuse. Eine Schwächung des Immunsystems kann in jedem Wirbeltier durch die Gabe von Arzneimitteln oder anderen Techniken, die allgemein im Feld bekannt sind, bewerkstelligt werden. Jedes geeignete Wirbeltier kann verwendet werden, wobei die Auswahl hauptsächlich durch Zweckmäßigkeit und Ähnlichkeit zu dem letztendlich interessanten System bestimmt wird.
  • Jedes geeignete Expressionssystem, das in den zu implantierenden Tumorzellen funktionsfähig ist, kann verwendet werden. Eine Vielzahl von Vektoren, die Expression in verschiedenen Arten von Tumorzellen bewirken, ist kommerziell erhältlich. Die Art des Vektors kann mit der Art des Tumors und dem Wirbeltier, in dem er seinen Ursprung findet, variieren. Es wird jedoch bevorzugt, Vektoren zu verwenden, die keine retroviralen oder anderen viralen Promotoren verwenden, welche das Modellsystem komplizierter machen könnten, wenn GFP zur Visualisierung der Metastasierung in einem Modellsystem verwendet wird.
  • Es ist oft vorteilhaft Expressionsvektoren einzusetzen, welche die Zellen mit dem SV40 T-Antigen ausstatten, um Zelllinien zur Verfügung zu stellen, die hilfreich sind, Tumore für diese Modellsysteme zu etablieren. Die Anwesenheit dieses Antigens gewährleistet die Unsterblichkeit der Kultur. So sind Vektoren in der Erfindung besonders nützlich, die Expressionssysteme umfassen, die zur Produktion von sowohl GFP als auch SV40 T-Antigen führen.
  • Um transformierte Zellen, die effektiv Tumore erzeugen, zu transfizieren und zu modifizieren, kann jedes geeignete Transfektionsverfahren, wie z. B. Liposomen, Kalziumphosphatfällung, Elektroporation und die Verwendung einer Genkanone eingesetzt werden. Die Lipofektion ist bevorzugt.
  • Im Gegensatz dazu sind Vektoren bevorzugt, die retrovirale oder andere virale Promotoren einsetzen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, um Metastasierung in natürlich vorkommenden Tumoren in einem Subjekt wie einem menschlichen Krebspatienten zu visualisieren. Die Verwendung solcher Vektoren erlaubt das Einbringen eines Expressionssystems für GFP in den bereits existenten Tumor. Zusätzlich kann das Expressionssystem eine Nukleotidsequenz enthalten, die andere nützliche Proteine kodiert, wie z. B. therapeutische Proteine, die eine gleichzeitige Diagnose der Metastasierung und Behandlung erlauben. Unter solchen geeigneten Proteinen ist die Methioninase beinhaltet (siehe, z. B., PCT/US93/11311 und PCT/US96/09935 ). Solche Proteine können entweder als Fusionsproteine mit dem GFP, oder unabhängig, entweder durch Verwendung eines dicistronischen Expressionssystems oder eines unabhängigen Expressionssystems, wobei eines für das therapeutische Protein und das andere für das GFP verwendet wird, hergestellt werden.
  • Retroviral basierte Expressionssysteme für GFP sind bereits von Grignani, F. et al. Cancer Res (1998) 58: 14–19 und Cheng, L. et al. Gene Therapy (1997) 4: 1013– 1022 beschrieben worden. In diesen Berichten wurde das retrovirale Expressionssystem selbst zur Transfektion von hämatopoetischen Vorläuferzellen verwendet, oder es wurden Verpackungszellen eingesetzt, um virusenthaltende Überstände bereitzustellen, die direkt für die Infektion der Säugerzellen verwendet werden können. Daher ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Tumor, der in dem Wirbeltiersubjekt enthalten ist, typischerweise mit einem Virus infiziert, der modifiziert und verpackt wurde, um das Expressionssystem für GFP zu enthalten. Die in situ Infektion mit Virus führt zu der Fähigkeit des Tumors, GFP zu produzieren und sich im Endeffekt selbst zu markieren.
  • Verschiedene retrovirale Systeme, die in der Herstellung von Proteinen in Säugerzellen nützlich sind, sind im Feld bekannt. Beispiele hierfür enthalten kommerziell erhältliche Vektoren und Verpackungssyteme, wie solche, die von Clontech, San Diego, Kalifornien, verkauft werden, einschließlich derer Retro-X Vektoren pLNCX und pLXSN, welche die Expression von GFP unter einer Vielzahl von Promotoren, durch Insertion in die multiple Klonierungsstelle, erlauben. Diese Vektoren beinhalten ψ* (das erweiterte virale Verpackungssignal) und Antibiotikaresistenzgene zur Selektion. Eine Anzahl dieser Systeme wurde für die Verwendung in der Gentherapie entwickelt, einschließlich Vektoren die eine multiple Klonierungsstelle zur Verfügung stellen, die zwischen, von retroviralen Quellen stammenden 5' und 3' langen terminalen Wiederholungen (LTRs), eingeschoben ist, und so in der Markierung von Tumoren menschlicher Patienten nützlich wären.
  • Daher können retroviral basierte Vektoren, wie die, welche in den 1a1b dargestellt sind, in Verpackungszellen transfiziert werden und direkt zu Zielkrebszellen transferiert werden, oder es können Überstände der Verpackungszellen verwendet werden, um Tumorzellen mit dem Retrovirus zu infizieren. Bevorzugte Kombinationen von Retrovirus und Verpackungszellen beinhalten den GFP-Retrovirus-Vektor pLEIN in PT-67 Verpackungszellen. Die Kokultur der Verpackungszellen mit Kolonkarzinomzellen führt zum Transfer des GFP-Retrovirus in die Krebszellen.
  • Die erfolgreiche Modifizierung von menschlichem Krebsgewebe, um die mit GFP assoziierte Fluoreszenz zu zeigen, wurde unter Verwendung von Gewebekulturtechniken und Überständen von PT-67 Verpackungszellen, die GFP-pLEIN Viren erzeugen, gezeigt. Zur Verwendung in vivo wird das Virus, vorzugsweise lokal in den Tumor, verabreicht, der innerhalb von Stunden nach Injektion von entweder den Verpackungszellen oder den Virus enthaltenden Überständen beobachtet werden kann. Die bösartigen Zellen können durch ihre grüne Farbe identifiziert werden, die manchmal ausreichend hell ist, so daß der Tumor durch die Haut gesehen werden kann.
  • Zusätzlich zur direkten Beobachtung von Tumormetastasierung und -wachstum entweder in einem Modellsystem oder in einem Labortier, das bereits von einem Tumor befallen ist, können die erfindungsgemäßen Verfahren an die Beobachtung der Angiogenese in soliden Tumoren angepaßt werden. Der Tumor selbst ist wie oben beschrieben mit GFP markiert. Dem Subjekt wird dann ein Kontrastmittel verabreicht, typischerweise durch Injektion, vorzugsweise intravenöse Injektion, welches die Beobachtung von Blutgefäßen im Tumor ermöglicht. Geeignete Farbstoffe schließen Rhodamin und andere Kontrastmittel ein. Jeder Farbstoff, der eine Kontrastfarbe mit der grünen Farbe des GFP bildet, kann verwendet werden. Der Farbstoff ist vorzugsweise an ein inertes Polymer, wie Polyethylenglykol, gebunden, um die Dauer der Zeit, die der Farbstoff in dem Blutgefäß verbleibt, zu verlängern. Eine ausreichende Menge von Farbstoff wird bereitgestellt, um eine leichte Sichtbarmachung zu ermöglichen; die benötigte Menge an Farbstoff hängt von der Wahl des Farbstoffs, dem Ort des Tumors, der Art des GFP im Hintergrund und von der Beobachtungsmethode ab. Innerhalb weniger Minuten können Gefäße, die in dem soliden Tumor wachsen, in Bereichen wie dem Mesenterium, der Kolonwand und dem Omentum beobachtet werden. Die Beobachtungen können über einen beträchtlichen Zeitraum lang fortgesetzt werden; beispielsweise kann die Angiogenese durch Verwendung dieses Verfahrens noch nach mehreren Stunden beobachtet werden.
  • Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung veranschaulichen aber nicht limitieren.
  • Beispiel 1
  • Herstellung von Tumorzellen, die GFP produzieren
  • Der humanisierte Klon hGFP-S65T, der von Zolotukhin, S. et al., J Virol (1996) 70: 4646–4654 beschrieben wurde, wurde als grün fluoreszierendes Protein kodierende Sequenz verwendet. Dieses Kodon-optimierte Gen wurde von Clontech Laborstories, Inc. (Palo Alto, CA) erworben und in den dicistronischen Expressionsvektor pED-mtx1 ligiert, welcher vom Genetics Institute, Cambridge, MA erhalten und in Kaufman, R. J. et al., Nucleic Acids Res (1991) 19: 4485–4490 beschrieben wurde. hGFP-S65T wurde mit HindIII verdaut und abgestumpft (blunted); die gesamte hGFP kodierende Region wurde mit XbaI ausgeschnitten und dann unidirektional in pED-mtx1 subkloniert, welcher mit PstI verdaut, abgestumpft, und dann weiter mit XbaI verdaut wurde.
  • CHO-K1 Zellen wurden in DMEM, das 10% fötales Kälberserum, 2 mM L-Glutamin und 100 μM nicht-essentielle Aminosäuren enthielt, kultiviert. Beinahe konfluente Zellen wurden mit einer präzipitierten Mischung von LipofectAMINETM-Reagenz (GIBCO) und einer sättigenden Menge von Plasmiden für sechs Stunden inkubiert und dann mit frischem Medium wieder aufgefüllt. Die Zellen wurden 48 Stunden später durch Trypsin/EDTA geerntet, und bei einem Verhältnis von 1:15 in Selektionsmedium, das 1,5 μM Methotrexat (MTX) enthielt, subkultiviert. Zellen mit stabil integriertem Plasmid wurden in MTX-haltigem Medium selektiert und mit Klonierungszylindern (Bel-Art Products, Pequannock, NJ) durch EDTA isoliert. Klon-38 wurde nach Amplifikation und Transfer wegen seiner hochintensiven GFP-Fluoreszenz und Stabilität ausgewählt.
  • Ähnlich wie für CHO-K1 Zellen oben beschrieben wurden auf ähnliche Weise Anip 973-Zellen, eine menschliche Lungenkarzinomzelllinie, die von der Harbin Medical University, China, erhalten wurden, kultiviert mit dem Unterschied, daß anstelle von DMEM RPM11640 (GIBCO) verwendet wurde. Die Transfektion, Selektion, Amplifikation und der Transfer wurden wie oben beschrieben durchgeführt. Klon-26 wurde wegen seiner hochintensiven GFP-Fluoreszenz und Stabilität ausgewählt.
  • Beispiel 2
  • Konstruktion eines retroviralen Expressionsvektors für GFP und Herstellung einer markierten Tumorzelllinie
  • Die 1a und 1b zeigen die Konstruktion eines Expressionsvektors für GFP unter Kontrolle des SV40-Promotors. Die Konstrukte setzen kommerziell erhältliche Vektoren der pEGFP-Serie, die von Clontech erhältlich sind, ein. Sowohl bakterielle als auch Säugerexpressionsvektoren sind erhältlich, welche die Herstellung von zusätzlichen Proteinen sowie von GFP entweder als Fusionsproteine oder in dicistronischen Systemen erlauben. 1a zeigt die Herstellung eines Expressionsvektors pGFP/Met zur Fusion von GFP mit Methioninase; 1b zeigt die Herstellung eines Vektors pGFP/SV40 zur Herstellung eines Fusionsproteins aus GFP und dem SV40 T-Antigen.
  • Kommerzielle Vektoren, welche die GFP kodierende Sequenz mit den gewünschten spektralen Eigenschaften beinhalten und die das in Beispiel 6 beschriebene pLEIN System verwenden, wurden in Zelllinien transfiziert, die von Tumoren wie menschlichem Brustkrebs, menschlichem Prostatakrebs, menschlichem Glioblastom und Mausmelanom stammten. Auf diese Weise wurden die mit grün fluoreszierendem Protein markierten menschlichen Brustkrebszelllinien MF-7, MDA-MB468 und MDA-MB435, die menschlichen Prostatakrebszelllinien PC3 und DU145, die menschliche Glioblastomzelllinie 324, die menschlichen Lungenkrebszellen Anip 73 und H460, die menschlichen Kolonkrebszelllinien Colo-205, HCT-15 und WiDr, die menschliche Magenkrebszelllinie NVGC-4, die menschliche Nierenkrebszelllinie SN12C, die menschliche Zungenkrebszelllinie SCC-25, die menschlichen Melanomazelllinien LOX und SK-mel-5, markierte chinesischer Hamster Ovarzellen der Zelllinie CHO-K1 und die Mausmelanomzelllinie B16 etabliert.
  • Das SV40 T-Antigen ist nützlich, um kultivierte Zellen zu immortalisieren, um permanente Zelllinien zu etablieren. Dementsprechend wurde der Vektor pGFP/SV40 in eine Reihe von Tumorzellkulturen transfiziert, um fluoreszierende, immortalisierte Zelllinien bereitzustellen.
  • Beispiel 3
  • In vivo Markierung von etablierten Tumoren
  • Unmarkierte Tumore, die von der menschlichen Lungenkrebszelllinie Anip 973 stammten, wurden in Mäusen nach folgendem Verfahren etabliert. Tumore wurden in sechs Wochen alten, männlichen Balb/C „nu/nu" Mäusen wachsen gelassen, denen, innerhalb von 40 Minuten nach Ernte durch Trypsinisierung und dreimaligem Waschen mit kaltem, Serum enthaltenden Medium subkutan eine einzelne 0,4 ml Dosis von 107 Anip 973 Zellen injiziert wurde. Die Zellen wurden vor der Injektion auf Eis gehalten. Die Tiere wurden geopfert, als die Tumore ungefähr 1,2 cm Durchmesser erreicht hatten. Die 1,2 cm Tumore bildeten sich nach etwa 5 Wochen.
  • Die Tumorstücke, 1 mm3, wurden wie von Astoul, P. et al., Anticancer Research (1994) 14: 85–92; Astoul, P. J Cell Biochem (1994) 56: 9–15, die beide hierin als Referenz aufgenommen werden, beschrieben durch COI in die linke viscerale Pleura von acht solcher Mäuse implantiert. Kurz gesagt wurden die Mäuse durch Einatmen von isofluoran anästhesiert, und es wurde ein kleiner, transversaler 1 cm Einschnitt entlang des vierten Interkostalzwischenraums in die linke laterale Brust gemacht, was zu einem vollständigen Kollaps der Lunge führte. Fünf Tumorstücke wurden mit einer chirurgischen 7-0 Nylonnaht zusammengenäht und durch einen Knoten fixiert. Die Lunge wurde mit einer Pinzette angehoben, und der Tumor mit einer Naht in den unteren Teil der Lunge eingenäht, wonach die Lunge in die Brusthöhle zurückgegeben, und die Muskeln und Haut mit einer einzelnen Schicht von 6-0 Seidennähten geschlossen wurden. Die Lunge wurde wieder aufgebläht, indem Luft mit einer 23er-Nadel aus der Brusthöhle entzogen wurde. Den Mäusen wurden dann 1 × 107 Verpackungszellen, die den retroviralen Vektor GFP-Retrovirus pLEIN in PT67 Zellen enthielten, injiziert. Dieses Virusverpackungssystem ist von Clontech, San Diego, Kalifornien, erhältlich. pLEIN enthält ein Insert der kodierenden Sequenz von EGFP, einer rotverschobenen Variante des Wildtyp GFP, die auf hellere Fluoreszenz und höhere Expression in Säugerzellen hin optimiert wurde. Sie hat ein Anregungsmaximum von 488 nm und ein Emissionsmaximum bei 507 nm. Diese Mutante enthält einen doppelten Aminosäureaustausch, an Position 64 von Phe nach Leu und an Position 65 von Ser nach Thr. Sie wurde von Comack, B. et al. Gene (1996) 173: 31–38 beschrieben. Es gibt mehr als 190 stumme Basenaustäusche, um die im Menschen bevorzugte Kodonbenutzung zu maximieren wie von Haas, J. et al. Curr Biol (1996) 6: 315–324 beschrieben. So enthält pLEIN die vorstehend beschriebene kodierende Sequenz von GFP, die in die multiple Klonierungsstelle von pLXIN eingefügt ist, um ein dicistronisches Expressionssystem zu erhalten, welches die koordinierte Translation des GFP und einer Neomycinresistenz erlaubt. Die Tumorzellen konnten drei Tage nach Injektion der Zellen in die Bauchhöhle der Mäuse, in den seminalen Vesikeln durch Hellfeld- und Fluoreszenzmikroskopie gesehen werden.
  • Beispiel 4
  • Beobachten der Angiogenese
  • Eine Suspension, die 1 × 107 der in Beispiel 1 beschriebenen Klon-38 Zellen enthielt, wurde in die Bauchhöhle einer Maus injiziert. Fünf Tage später wurde der Maus Rhodamin in den Schwanz injiziert, die Maus dann anästhesiert und die Bauchhöhle ausreichend weit geöffnet, um den Tumor sichtbar zu machen. Die Erholung von diesem chirurgischen Eingriff ist unproblematisch. In manchen Fällen ist das öffnen der Bauchhöhle unnötig, da die intraperitonealen Tumore durch die unversehrte Haut sichtbar gemacht werden können. Tumore waren in der Bauchhöhle sichtbar und die Angiogenese war, angezeigt durch die Rhodaminfluoreszenz, beobachtbar. Ähnliche Ergebnisse wurden in Tumoren gefunden, die im Omentum, in der Wand des Dünndarms und im Mesenterium wuchsen.
  • In einem analogen Experiment wurde eine Suspension, die 1 × 107 der in Beispiel 1 beschriebenen Klon-26 Zellen enthielt, in die Bauchhöhle einer Maus injiziert. Nach einem Tag bildeten sich Tumore im Mesenterium und in der Kolonwand. Diese wurden durch Anästhesieren der Maus und eine minimale Öffnung des Abdomens beobachtet. Beobachtungen einer ähnlich behandelten Maus am Tag 3 zeigten Tumore in der Wand des Dünndarms, im Omentum sowie in der Kolonwand und dem Mesenterium. Am Tag 5 wurden einer ähnlich behandelten Maus 100 μl 2 × 10–3 M Rhodamin in den Schwanz injiziert und es konnten einige Gefäße in dem im Mesenterium wachsenden Tumor gesehen werden. Nach Tag 60 wurden zahlreiche Gefäße in dem in der Kolonwand wachsenden Tumor gesehen.
  • Beispiel 5
  • Konstruktion von Metastasemodellen
  • Unter Verwendung der in Beispiel 2 beschriebenen, markierten, menschlichen Krebszelllinien wurden Mausmodelle für verschiedene Krebsarten etabliert. Die Zelllinien werden mit einer einzelnen Dosis von 107 GFP exprimierenden menschlichen Tumorzellen, die durch Trypsinisierung geerntet, dreimal mit kaltem, Serum enthaltenden Medium gewaschen und dann auf Eis gehalten wurden, in sechs Wochen alte weibliche „nu/nu" Mäuse implantiert. Die Zellen werden innerhalb von 40 Minuten nach der Ernte in den Subkutanzwischenraum in der Flanke des Tieres in einem Gesamtvolumen von 0,4 ml injiziert. Die Nacktmäuse werden drei Wochen nach Injektion der Tumorzellen geopfert, um die Tumorfragmente zu ernten. Diese Tumorfragmente werden dann für die chirurgische Implantation in das entsprechende Gewebe (chirurgische orthotope Implantation (COI)) in Nacktmäuse als Empfänger verwendet.
  • Die Empfängermäuse werden zunächst anästhesiert und dann durch Verwendung etablierter COI-Techniken mit Fragmenten des subkutan gewachsenen Kolonkrebs, Lungenkrebs, Brustkrebs, Prostatakrebs oder Melanom implantiert. Die Größe der Fragmente ist in allen Fällen, mit Ausnahme des Melanoms, 1 mm3; für das Melanom werden 0,025 mm3 Fragmente aus dem menschlichen, subkutanen Melanomtumor LOX-GFP präpariert, und 5–6 Fragmente implantiert. Das Fortschreiten der Metastasierung wird dann durch FOTB mit einem Leica MZ12 Stereomikroskop mit einer Quecksilberdampflampe beobachtet. GFP wird mit einem D425/60 Bandpassfilter und einem 470DCXR dichroischen Spiegel angeregt; die Fluoreszenz wird durch einen GG475 Longpassfilter (Chroms Technology, Brattleboro, VT) hindurch emittiert und von einer thermoelektrisch gekühlten ST-133 Micromass High-Speed Controlled Camera – TEA/CCD-1317K1 (Princeton Instruments, Trenton, NJ) mit einem 1317×1035 Pixel Chip gesammelt. Die Bilder werden mit der ImagePro+ 3.1 Software (Media Cybernetics, Silver Spring, MD) bearbeitet und analysiert. Hochauflösende Bilder werden von einem Computer oder kontinuierlich durch den Videoausgang auf eine Videokassette aufgenommen.
  • Im Kolonkrebsmodell wird ein kleiner Einschnitt entlang der Mittellinie in das Abdomen gemacht und der kolorektale Teil des Darms nach außen gelegt. Die Serosa wird entfernt und 8–15 Tumorfragmentstücke implantiert. Eine chirurgische 8-0 Naht wird verwendet, um die kleinen Tumorstücke zu durchstechen und sie an die Darmwand zu nähen. Der Darm wird in die Bauchhöhle zurückgelegt und die Bauchwand verschlossen. Die Tiere werden dann auf Metastasen hin beobachtet.
  • Im Lungenkrebsmodell wird ein kleiner transversaler 1 cm Einschnitt an der linken seitlichen Brust entlang des vierten Interkostalzwischenraums gemacht; dies führt zum vollständigen Kollaps der Lunge. Fünf mit einer chirurgischen 8-0 Nylonnaht zusammengenähte Tumorstücke werden durch einen Knoten fixiert; die Lunge wird mit einer Pinzette herausgenommen und der Tumor mit einer Naht in den unteren Teil der Lunge genäht. Nach Zurücklegen der Lunge in die Brusthöhle werden die Brustmuskeln und Haut geschlossen. Die Lunge wird durch Entnahme von Luft aus der Brusthöhle mit einer 23er Nadel wieder aufgebläht. Die Tiere können dann entweder durch FOTB oder durch Entnahme verschiedener Gewebe auf Metastasierung hin beobachtet werden.
  • Beim Brustkrebs wird ein 1,5 cm langer Einschnitt entlang der medialen Seite des Nippels vorgenommen und das Fettpolster nach stumpfer Sektion freigelegt. Ein kleiner Einschnitt wird vorgenommen und eine kleine Tasche gebildet, um zwei Fragmente des Tumorgewebes aufzunehmen; eine 8-0 Naht wird gemacht, um die Tasche zu schließen. Die Hautschicht wird dann verschlossen. Die Tiere werden dann durch FOTB oder Gewebeentnahme beobachtet.
  • Beim Prostatakarzinom wird eine Öffnung oberhalb der Schambeinfuge gemacht, um die Prostatadrüse freizulegen. Die den dorsalen Teil der Prostata umgebende Faszie und die dorsalen seitlichen Lappen der Drüse werden durch einen kleinen Einschnitt getrennt. Fünf zufällig gewählte Fragmente werden mittels einer 8-0 Nylonnaht in den Einschnitt genäht. Die zwei Teile der getrennten Lappen werden zusammengenäht und die umgebende Faszie verwendet, um diesen Teil der Drüse einzuwickeln und den Einschnitt zu festigen. Das Abdomen wird dann verschlossen und die Tiere zur Beobachtung behalten.
  • Beim Melanom werden 5–6 Fragmente mit einer 13 × ¼ Krebsimplantationsnadel (Popger & Sons, New Hyde Park, NY) unter die Haut in die Flanke transplantiert.
  • Bilder, die Metastasen an verschiedenen Stellen im Tier zeigen, können wie oben beschrieben erhalten werden.
  • Die wie oben beschrieben behandelten Tiere können dann verwendet werden, um potentielle Protokolle zur Behandlung von Krebs und zur Verhinderung von Metastasierung zu evaluieren. Das Voranschreiten von Metastasierung der fluoreszenten Tumore in Tieren, denen die Protokolle verabreicht wurden, wird mit ähnlichen Tieren, die keine Behandlung erhalten haben, verglichen. Die Wirksamkeit des Protokolls kann dann direkt beobachtet werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Beurteilung eines in Frage kommenden Protokolls oder Arzneimittels zur Verhinderung der Metastasierung eines Primärtumors, wobei das Verfahren das Verabreichen des Protokolls oder des Arzneimittels an ein nicht-menschliches Labortier, welches einen Primärtumor enthält, der grün fluoreszierendes Protein (GFP) stabil bei einem hohen Level exprimiert, wenn der Tumor metastasiert, wobei der Primärtumor durch das Verabreichen eines retroviralen Vektors, welcher das Expressionssystem enthält, an das Tier so modifiziert wurde, daß er ein Expressionssystem für GFP enthält, oder wobei der Primärtumor ein implantierter Tumor ist, der ein Expressionssystem für das GFP enthält, das Überwachen des Fortschreitens der Metastasierung durch das Beobachten der Anwesenheit, Abwesenheit oder Intensität der Fluoreszenz an verschiedenen Stellen des behandelten Tiers, wobei das Überwachen in Echtzeit in dem intakten Tier auf einer kontinuierlichen Basis durchgeführt wird, wobei eine Verringerung des Fortschreitens der Metastasierung in dem behandelten Tier das Protokoll oder das Arzneimittel als effektiv für die Verhinderung der Metastasierung identifiziert, umfaßt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter das Überwachen des Fortschreitens der Metastasierung in einem Kontrolltier, welches einen ähnlichen Tumor, der grün fluoreszierendes Protein exprimiert, enthält, und das Vergleichen des Fortschreitens der Metastasierung in dem behandelten Tier mit dem Fortschreiten der Metastasierung in dem Kontrolltier, wobei eine Verminderung des Fortschreitens der Metastasierung in dem behandelten Tier im Vergleich zum Kontrolltier das Protokoll oder das Arzneimittel als effektiv für die Verhinderung der Metastasierung identifiziert, einschließt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Primärtumor durch das Verabreichen eines retroviralen Vektors, welcher das Expressionssystem enthält, an das Tier so modifiziert wurde, daß er ein Expressionssystem für GFP enthält.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Tier ein Kaninchen, eine Ratte oder eine Maus ist.
  5. Verfahren zum Überwachen der Metastasierung eines Primärtumors in einem intakten Tier, wobei das Verfahren das Überwachen des Fortschreitens der Metastasierung in einem nicht-menschlichen Labortier, welches den Primärtumor umfaßt, wobei der Tumor grün fluoreszierendes Proteins (GFP) stabil bei einem hohen Level exprimiert, wenn der Tumor metastasiert und wobei der Primärtumor endogen ist und mit einem Expressionssystem für GFP versehen wurde, durch das Verabreichen eines retroviralen Vektors, welcher das Expressionssystem enthält, an das Tier oder wobei der Primärtumor ein implantierter Tumor ist, der ein Expressionssystem für das GFP enthält, durch das Beobachten der Anwesenheit, Abwesen heit oder Intensität der Fluoreszenz als eine Funktion der Zeit an verschiedenen Stellen in dem intakten Tier, wobei das Überwachen in Echtzeit in dem intakten Tier auf einer kontinuierlichen Basis durchgeführt wird, umfaßt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Expressionssystem einen viralen Promoter umfaßt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Tier ein Kaninchen, eine Ratte oder eine Maus ist.
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