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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Virus-produzierende Zelle (Verpackungszelle),
die die Fähigkeit stabil
beibehält,
Viren in hohem Titer herzustellen, und die Verwendung einer solchen
Zelle für
die Herstellung von Viren.
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HINTERGRUND
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Retrovirale
Vektoren sind in der Lage, Gene mit hoher Wirksamkeit und Stabilität in Wirtszellen
zu übertragen.
Daher werden sie bei Gentransfer-Verfahren für die Übertragung von Genen in Zellen
auf vielen Gebieten einschließlich
des Gebiets der Medizin verwendet. Die Erzeugung von retroviralen
Vektoren wurde auf Grundlage der genetischen Struktur und des Lebenszyklus-Mechanismus
der Retroviren entwickelt. Das fundamentale Prinzip besteht darin,
das Gen von Interesse in einen retroviralen Vektor zu übertragen,
der ein Verpackungssignal besitzt, dem aber alle die Strukturgene
gag, pol und env fehlen, und dann darin, den retroviralen Vektor
in eine Verpackungszelle einzubringen, die die Strukturgene gag,
pol und env besitzt, der aber das Verpackungssignal fehlt. Dann
wird ein Viruspartikel gebildet (d. h. verpackt), der die retrovirale
Vektor-RNA enthält,
und schließlich
werden Retroviren in den Überstand
einer Zellkultur produziert (Kitamura, T., International Journal
of Hematology 67: 351–359
(1998)). Auf diese Weise hergestellte Retroviren können die Gene
von Interesse effizient in Zellen übertragen. Gleichzeitig gilt,
da ihnen die Strukturgene gag, pol und env fehlen, dass sie sich
nur innerhalb der Verpackungszellen replizieren und sich in normalen
Zellen nicht replizieren können.
Daher ist es unwahrscheinlich, dass sich funktionelle Retroviren
in den so hergestellten infizierten Zellen regenerieren.
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Die
Herstellung von Verpackungszellen mit solchen Eigenschaften wird
in den internationalen Veröffentlichungen
mit den Nummern
WO90/02806 ,
WO94/19478 ,
WO96/34098 und so weiter offenbart.
Im Hinblick auf die Infektionseffizienz und die Langzeit-Stabilität sind diese
Verfahren im Fachgebiet jedoch nicht zufriedenstellend. Darüber hinaus
ist es, um den Titer der Viren zu steigern, notwendig, die viralen
Strukturproteine in großer
Menge innerhalb der Verpackungszelle zu exprimieren. Im Fachgebiet
werden Verpackungszellen benötigt,
die ein große
Menge an viralen Strukturproteinen exprimieren können und die eine begrenzte Verminderung
des Titers der Viren aufweisen, die während der Passagen produziert
werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung einer 293T-Zelle
für die
Herstellung von Retroviren, wobei die Zelle (i) ein erstes Expressionskonstrukt
enthält,
das DNA umfasst, die stromabwärts
eines EF1α-Promotor
funktionell verknüpft
ist und die die retroviralen Strukturproteine gag und pol codiert,
und (ii) ein zweites Expressionskonstrukt enthält, das DNA umfasst, die stromabwärts eines
EF1α-Promotor
funktionell verknüpft
ist und die das retrovirale Strukturprotein env codiert. Diese Zelle
besitzt die Fähigkeit,
infektiöse Viren
in hohen Titern herzustellen. Darüber hinaus weisen diese Virus-produzierenden
Zellen eine erhöhte Langzeit-Stabilität und Sicherheit
auf. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung
eines Verfahrens für
die Herstellung infektiöser
Viren in hohen Titern unter Verwendung der Virus-produzierenden
Zellen der vorliegenden Erfindung.
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Um
die vorstehend beschriebenen Aufgaben zu erreichen, suchten die
genannten Erfinder zuerst nach einem Promotor, der in 293T-Zellen
eine hohe Aktivität
aufweist. Nach der Untersuchung der Stärke der Transkriptionsaktivität des SV40-Promotors,
des SRα-Promotors,
des EF1α-Promotors,
des TK-Promotors, der MuLV-LTR und der CMV-LTR fanden die genannten
Erfinder heraus, dass die durch den EF1α-Promotor und den CMV-Promotor
angetriebenen Aktivitäten
im Vergleich zu denen der anderen Promotoren bemerkenswert hoch
waren. Dementsprechend wurde der Versuch unternommen, Verpackungszellen
mit hoher Produktivität
unter Verwendung des EF1α-Promotors
zu konstruieren.
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Spezifisch
verwendeten die genannten Erfinder in den Verpackungskonstrukten
nur die codierenden Sequenzen des gag-pol- und des env-Gens unter der Regulation
des EF1α-Promotors,
um die Expressionseffizienz dieser Gene, die die viralen Strukturproteine
codieren, in den Verpackungszellen zu erhöhen. Um die Translationseffizienz
der viralen Strukturproteine von den transkribierten mRNAs zu erhöhen, wurde
darüber hinaus
die Kozak-Konsensus-Sequenz
(GCCACC) stromaufwärts
der Translations-Initiations-Codons dieser Gene inseriert. Zusätzlich wurde
ein Selektionsmarker-Resistenzgen über die IRES-Sequenz (interne
Ribosomen-Eintrittsstelle) stromabwärts dieser Gene angehängt, so
dass die Gene, die stromaufwärts
und stromabwärts
der IRES positioniert sind, von einer einzigen mRNA translatiert
werden. Dies ermöglichte
eine verlässliche
Selektion der Zellen, die das inserierte Konstrukt exprimierten,
durch den Selektionsmarker. Auf diese Weise wurden Zellen hergestellt,
die eine überlegene
Langzeit-Stabilität
im Vergleich zu herkömmlichen
Verpackungszellen aufweisen; dies erfolgte durch die getrennte Einbringung
eines Konstrukts, das das Selektionsmarker-Resistenzgen enthielt,
und eines Konstrukts, das das gag-pol- und das env-Gen enthielt.
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Zusätzlich wurde
eine Verbesserung der Sicherheit durch die Insertion der gag-pol-
und env-Gene, die durch PCR-Amplifizierung nur der codierenden Regionen
der viralen Strukturproteine produziert wurden, in das Konstrukt
erreicht, wodurch die Möglichkeit
des Auftretens von Wildtyp-Viren in den Verpackungszellen aufgrund
von Rekombination eliminiert wurde.
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Die
genannten Erfinder untersuchten die Produktivität der Verpackungszellen, die
auf diese Weise hergestellt worden waren, und fanden heraus, dass
die Verpackungszellen Retroviren in hohem Titer herstellten. Sogar
nach einer längeren
Passage über
4 Monate behielten sie die Fähigkeit
bei, Retroviren mit dem gleichen Spiegel des Titers wie zuvor herzustellen.
Die Verpackungszellen dieser Erfindung sind nützlich zur Herstellung von
Vektoren für
die Genübertragung
in einen lebenden Körper
und können
bevorzugt besonders für die
Herstellung von retroviralen Vektoren in hohem Titer verwendet werden,
die für
die Gentherapie und ähnliches
verwendet werden.
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Das
heißt,
die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren für die Herstellung einer Virus-produzierenden Zelle,
die eine überlegene
(höhere)
Sicherheit aufweist und die die Fähigkeit beibehält, infektiöse Viren
in hohem Titer sogar nach langfristigen Passagen herzustellen, sowie
Verfahren für
die Herstellung infektiöser
Viren in hohem Titer unter Verwendung der Virus-produzierenden Zellen.
Noch spezifischer stellt die Erfindung folgendes bereit:
- (1) Eine 293T-Zelle für die Herstellung von Retroviren,
wobei die Zelle (i) ein erstes Expressionskonstrukt enthält, das
DNA umfasst, die stromabwärts
eines EF1α-Promotors
funktionell verknüpft
ist und die die retroviralen Strukturproteine gag und pol codiert,
und (ii) ein zweites Expressionskonstrukt enthält, das DNA umfasst, die stromabwärts eines
EF1α-Promotors
funktionell verknüpft
ist und die das retrovirale Strukturprotein env codiert;
- (2) die Zelle nach (1), wobei das env-Gen entweder aus einem
ekotropischen Retrovirus oder aus einem amphotropischen Retrovirus
stammt;
- (3) die Zelle nach (1) oder (2), wobei die Kozak-Konsensus-Sequenz
stromaufwärts
von einem Translations-Initiations-Codon der DNA platziert ist,
die die retroviralen Strukturproteine in dem Expressionskonstrukt
codiert; (4) die Zelle nach einem von (1) bis (3), wobei die DNA,
die die retroviralen Strukturproteine codiert, über die IRES-Sequenz an eine
DNA gebunden ist, die einen Selektionsmarker codiert;
- (5) die Zelle nach einem von (1) bis (4), wobei die DNA, die
die retroviralen Strukturproteine codiert, im Wesentlichen frei
ist von Virus-Genomabgeleiteter DNA mit Ausnahme der Protein-codierenden
Region;
- (6) die Zelle, die durch die Zugangs-Nrn. FERM BP-6737 oder
FERM BP-6977 spezifiziert ist;
- (7) ein Verfahren für
die Herstellung eines Retrovirus, umfassend die Schritte: Einführen einer
retroviralen Vektor-DNA, der mindestens eines der Gene fehlt, die
die viralen Strukturproteine gag, pol und env codieren, in die Zelle
nach einem von (1) bis (6);
- (8) das Verfahren nach (7), wobei der retroviralen Vektor-DNA
alle gag, pol und env codierenden Gene fehlen; und
- (9) das Verfahren nach (7) oder (8), wobei ein fremdes Gen in
die retroviralen Vektor-DNA eingeschlossen ist.
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Die
Verpackungszellen dieser Erfindung sind durch die Verwendung des
EF1α-Promotors
für die
Expression der retroviralen Strukturproteine charakterisiert. Die
genannten Erfinder suchten nach einem Promotor, der eine hohe Aktivität in Verpackungszellen
aufweist. Als Ergebnis fanden sie heraus, dass der EF1α-Promotor eine besonders
starke Aktivität
unter denjenigen Promotoren besaß, für die eine Aktivität nachgewiesen werden
konnte. Die Verpackungszellen dieser Erfindung exprimieren die retroviralen
Strukturproteine aufgrund der Verwendung des EF1α-Promotors sehr stark, was somit die
Herstellung von Viruspartikeln in hohem Titer ermöglicht.
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Die
DNA, welche das/die retrovirale(n) Strukturprotein(e) codiert, wird
unter der Regulation des EF1α-Promotors
in einer Verpackungszelle exprimiert; dies erfolgt durch die Herstellung
eines Expressionskonstrukts, in dem die DNA, die das/die retrovirale(n)
Strukturprotein(e) codiert, stromabwärts des EF1α-Promotors funktionell verknüpft wird,
und sie dann in die Zelle eingebracht wird. Der hierin verwendete
Ausdruck „funktionell
verknüpft" bedeutet, dass der
EF1α-Promotor
in der DNA in einer solchen Weise gebunden ist, dass seine Aktivierung
die Expression der stromabwärts
gelegenen DNA, welche die retroviralen Strukturproteine codiert,
sicherstellt.
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Die
retroviralen Strukturproteine, die in den Zellen der vorliegenden
Erfindung exprimiert werden, sind gag, pol und env. Theoretisch
ist es nicht notwendig, alle diese Proteine in den Verpackungszellen
zu exprimieren, und es ist möglich,
Gene, die einige dieser Proteine codieren, in der retroviralen Vektor-DNA
zu platzieren. So ist es zum Beispiel möglich, dass die Verpackungszellen
gag und pol exprimieren, während
das env-Gen in die retrovirale Vektor-DNA platziert wird. In diesem
Fall besteht jedoch die Möglichkeit,
dass die Höhe
der Expression des env-Proteins nicht die erforderliche Menge erreicht.
Daher werden in den Zellen der vorliegenden Erfindung gag, pol und
env durch die Verpackungszellen selber hergestellt.
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Das
Expressionskonstrukt der vorliegenden Erfindung wird in ein Konstrukt,
das gag und pol exprimiert, und in ein Konstrukt, das env exprimiert,
getrennt, die dann in die Zelle eingebracht werden. Auf diese Weise
wird die Möglichkeit
vermindert, dass selbst-replizierende Viren aufgrund der Rekombination
von pol, gag und env hergestellt werden, die oft zwischen denjenigen
Sequenzen auftritt, die sich in dem retroviralen Vektor befinden,
und denjenigen, die sich in den Verpackungszellen befinden. Dies
ist im Hinblick auf die Sicherheit wichtig, zum Beispiel wenn die
durch diese Zeilen hergestellten Viren bei der Gentherapie verwendet werden.
Im Hinblick auf Gag und Pol wird bevorzugt, dass diese als gag-pol in dem gleichen
Konstrukt codiert werden. Der Grund dafür ist, dass bekannt ist, dass
das Expressionsverhältnis
zwischen pol und gag für
die Herstellung von Viren in hohem Titer wichtig ist, und die alleinige
Expression des Pol-Proteins in großen Mengen, die durch die Herstellung
von getrennten Expressionskonstrukten für gag und pol auftreten kann,
eine Toxizität
gegenüber
den Zellen verursacht.
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Wenn
es gewünscht
wird, ist es möglich,
Verpackungszellen unter Verwendung eines env-Gens herzustellen,
das aus ekotropischen Retroviren (bezeichnet als ecoenv) oder aus
amphotropischen Retroviren (bezeichnet als amphoenv) stammt. Verpackungszellen,
die ecoenv besitzen, produzieren ekotropische Retroviren, wohingegen
Verpackungszellen, die amphoenv besitzen, amphotropische Retroviren
herstellen. Da ein ekotropisches Retrovirus eine Glycoprotein-Bindung
für den
ekotropischen Rezeptor aufweist, der nur auf der Oberfläche von
Ratten- und Mäusezellen
vorkommt, infiziert es nur Ratten- und Mäusezellen. Demgegenüber ist
ein amphotropisches Retrovirus in der Lage, verschiedene Arten zu
infizieren, wie z. B. Ratten, Mäuse, Menschen,
Hühner,
Hunde, Katzen usw. Ein Beispiel für ein Retrovirus, das bei der
Gentherapie verwendet wird, ist ein amphoenv-Virus, das in der Lage
ist, Menschen zu infizieren. Um neue Gene im Labor zu clonieren,
ist es jedoch sicherer, Retroviren zu verwenden, die von Verpackungszellen
hergestellt wurden, die das ecoenv-Gen tragen, und welche für Menschen
nicht infektiös
sind.
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Es
können
verschiedene retrovirale env-Gene verwendet werden, wie z. B. env,
das aus dem Rous-Sarkom-Virus (RSV) stammt (Landau, N. R. und Littman,
D. R., J. Virology 5110–5113
(1992)). Darüber hinaus
können
andere Hüll-Proteine
verwendet werden, die nicht aus Retroviren stammen. So ist es zum
Beispiel möglich,
das aus dem vesikulären
Stomatitis-Virus (VSV) stammende Protein G (VSV-G) zu verwenden (Ory,
D. S. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 11400–11406 (1996)).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung wird die Kozak-Konsensus-Sequenz
(GCCACC) stromaufwärts
des Translations-Initiations-Codons (ATG) der retroviralen Strukturprotein-Gene
innerhalb des Expressionskonstrukts platziert, um die Translationseffizienz
der mRNA, die diese Proteine codiert, welche von den Expressionskonstrukten
zur Expression der retroviralen Strukturproteine transkribiert werden, zu
steigern (die Regel von Kozak besagt, dass vor dem Translations-Initiations-Codon
ATG die Sequenz GCCACC mit hoher Wahrscheinlichkeit vorkommt).
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
stellt diese Erfindung Verpackungszellen bereit, die Expressionskonstrukte
enthalten, welche das/die virale(n) Strukturprotein(e) und gleichzeitig
einen Selektionsmarker exprimieren; dies erfolgt durch eine funktionelle
Verknüpfung
der DNA, die das/die virale(n) Strukturprotein(e) codiert, mit dem
Selektionsmarker mittels der IRES. Das/die virale(n) Strukturprotein(e)
und der Selektionsmarker werden auf einem einzigen Molekül codiert,
das in dem Expressionskonstrukt nach Aktivierung des EF1α-Promotors transkribiert
wird. Somit wird/werden nicht nur das/die Protein(e), sondern auch
der Selektionsmarker durch die Wirkung der IRES von dem RNA-Molekül translatiert.
Dementsprechend ist eine verlässliche
Selektion von Zellen, die das/die retrovirale(n) Strukturprotein(e)
exprimieren, durch den Selektionsmarker aufgrund der Transformation
mit dem Expressionskonstrukt möglich. Üblicherweise
wurden die Verpackungszellen so hergestellt, indem ein Expressionskonstrukt,
welches das Selektionsmarker-Resistenzgen trug, und ein Expressionskonstrukt,
welches das gag-pol- und das env-Gen trug, in die Zellen eingebracht
wurden. Daher waren die Zellen, die das Selektionsmarker-Resistenzgen
enthielten, und diejenigen, die die viralen Strukturprotein-Gene
enthielten, nicht immer miteinander vereinbar, was Probleme im Hinblick
auf die Stabilität
der Zellen verursachte. Die Verwendung der IRES-Sequenz ermöglicht die
Herstellung von Verpackungszellen mit einer ausgezeichneten Langzeit-Stabilität.
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Neben
Blasticidin und Puromycin, die in den Beispielen beschrieben werden,
können
zum Beispiel auch Hygromycin, Diphtherie-Toxin, Neomycin und ähnliche
als Selektionsmarker verwendet werden. Blastidicin und Puromycin
werden jedoch bevorzugt, da sie rasch wirken und eine kürzere Zeit
für die
Selektion der Zellen im Vergleich zu anderen Arzneistoffen erfordern.
Die Resistenzgene für
Diphtherie-Toxin
und Hygromycin werden in: „Bishai,
W. R. et al., J. Bacteriol. 169: 1554–1563 (1987)", beziehungsweise
in; „hygromycin: Yin,
D. X. et al., Cancer Res. 55: 4922–4928 (1995) beschrieben.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
stellt diese Erfindung Zellen bereit, die ein Expressionskonstrukt
enthalten, in dem die DNA, die das/die retrovirale(n) Strukturprotein(e)
unter der Regulation des EF1α-Promotors
codiert, im Wesentlichen von derjenigen DNA frei ist, die nicht
die Protein-codierenden Regionen umfasst. In den Verpackungszellen
dieser Erfindung wird bevorzugt, die aus dem viralen Genom stammenden
Sequenzen, die für
die Expression der Strukturproteine nicht essentiell sind, so weit
wie möglich
zu entfernen. Dies erlaubt einem, das Risiko für das Auftreten von replikationsfähigen Retroviren
(RCR) auf ein Minimum zu beschränken,
und zwar, indem die Möglichkeit
einer Rekombination zwischen der aus dem viralen Genom stammenden
DNA und der retroviralen DNA in dem Expressionskonstrukt vermindert
wird, nachdem die retrovirale Vektor-DNA in die Verpackungszellen,
die die vorstehend erwähnten
Expressionskonstrukte tragen, übertragen
wurde. Dies wiederum ermöglicht
eine Verbesserung der Sicherheit der Viruspartikel, die von den
Verpackungszellen hergestellt werden.
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DNA,
die im Wesentlichen von anderer DNA als derjenigen der codierenden
Regionen der retroviralen Strukturproteine frei ist, kann zum Beispiel
durch die Polymerase-Kettenreaktion unter Verwendung der viralen genomischen
DNA als Matrize und von Primern, die den codierenden Regionen der
viralen Strukturproteine entsprechen, erhalten werden, wie in den
folgenden Beispielen beschrieben wird. Hierin bedeutet „im Wesentlichen
frei von" anderer
DNA als derjenigen der codierenden Regionen, dass andere DNA als
diejenige der Protein-codierenden Region, die aus dem viralen Genom
stammt, 30 oder weniger, bevorzugt 10 oder weniger, stärker bevorzugt
5 oder weniger und am stärksten
bevorzugt 0 Basen beträgt.
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Zum
Beispiel können
NIH3T3-Zellen (Maus-Fibroblasten), 293-Zellen (menschliche fötale Nierenzellen)
(Graham, F. L., J. Gen. Virol. 36: 59–72 (1977)) und ähnliche
ebenfalls als Wirtszellen für
die Herstellung von Verpackungszellen verwendet werden.
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Das
Calciumphosphat-Verfahren, das Elektroporations-Verfahren und allgemeine
Transfektionsverfahren mit Lipofectamin (GIBCO BRL), Fugene (Boehringer
Mannheim) und ähnliche
können
verwendet werden, um die Expressionskonstrukte in die Zelle einzubringen.
Als Selektionsverfahren kann die Selektion über Wirkstoffe verwendet werden.
Zum Beispiel können
Basticidin, Puromycin, Hygromycin, Diphtherie-Toxin, Neomycin und ähnliche
ohne Einschränkung
als Wirkstoffe für
die Wirkstoffselektion verwendet werden, sofern das Gen für die Wirkstofftoleranz
bekannt ist.
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Die
retrovirale Vektor-DNA wird bevorzugt in jeden Clon der erhaltenen
Verpackungszellen nach begrenzter Verdünnung der Zellen eingebracht.
Anschließend
werden durch die Messung des Titers der hergestellten Viren Zellen
ausgewählt
und cloniert, die Viren mit dem höchsten Titer herstellen.
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Es
gibt keine besondere Einschränkung
für die
retrovirale Vektor-DNA, die in die Verpackungszellen eingebaut wird.
Wenn die Verpackungszellen von Zellen abstammen, die das große T-Antigen
von SV40 exprimieren, wie zum Beispiel 293T-Zellen, ermöglicht die Verwendung von Vektor-DNA,
die an die Replikations-Initiations-Stelle
von SV40 gebunden ist, eine Erhöhung
der Zahl ihrer Kopien, die innerhalb der Verpackungszellen hergestellt
werden, und daher kann man eine Steigerung des Titers erwarten.
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Die
Einbringung der retroviralen Vektor-DNA in die Zellen kann durch
das gleiche Verfahren durchgeführt
werden, wie dasjenige, das vorstehend für die Einbringung der Expressionskonstrukte
für die
viralen Strukturproteine in die Zellen beschrieben wurde. Der retrovirale
Vektor von Interesse kann durch die Ernte der retroviralen Partikel,
die in den Überstand
der Verpackungszellkultur nach der Einbringung des retroviralen Vektors
freigesetzt werden, hergestellt werden.
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Die
durch die Verpackungszellen dieser Erfindung produzierten retroviralen
Vektoren können
in den umfangreichen Gebieten der Forschung und der Medizin verwendet
werden. Zum Beispiel können
sie als Vektoren für
die Expression eines Gens von Interesse ex vivo oder in vivo bei
der Gentherapie sowie bei der Herstellung von Tiermodellen verwendet
werden. Sie können
auch als Impfstoffe nützlich
sein, um antigene Proteine und Proteine, die die immunologischen
Funktionen steigern, zu exprimieren. Weiterhin können sie auch als in vitro-Gentransfer-Vektoren
für die
Analyse von Genfunktionen nützlich
sein. Des Weiteren können
die Vektoren auch verwendet werden, um Proteine von Interesse herzustellen.
Ebenso sind sie nützlich
als Vektoren für
die Herstellung einer Genbank, die unspezifische cDNA-Molekül-Spezies
exprimiert, wie z. B. eine cDNA-Expressions-Genbank.
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DAS BESTE VERFAHREN ZUR DURCHFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden durch Beispiele spezifisch
beschrieben. Die Erfindung sollte jedoch nicht auf diese Beispiele
beschränkt
werden.
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[Beispiel 1] FACS-GAL-Analyse
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Die
FACS-GAL-Analyse (Steven, N. F. et al., Cytometry 12: 291–301 (1991))
wurde durchgeführt,
um den Promotor, der die höchste
Aktivität
aufweist, zu verwenden; dies erfolgte durch einen Vergleich der
Promotoraktivitäten
in 293-Zellen und in 293T-Zellen. Entsprechend dem Verfahren wurde
jeder Promotor, mit dem das lacZ-Gen stromabwärts verknüpft war, in die Zellen transfiziert,
und die Verteilung der Expression von lacZ innerhalb dieser Zellen
wurde untersucht.
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293-Zellen
und 293T-Zellen wurden zu 2 × 106 Zellen pro 6 cm-Gewebekultur-Schale 16 bis 24
Stunden vor der Transfektion ausplattiert. 3 μg Plasmid, in dem lacZ stromabwärts von
jedem der Promotoren verknüpft
war, und 9 μl
Fugene (Boehringer Mannheim) wurden mit 200 μl DMEM-Medium ohne fötales Rinderserum
vermischt und anschließend
5–10 Minuten
stehen gelassen. Danach wurden die Plasmide zu den 6 cm-Kulturschalen,
in denen entweder 293-Zellen oder 293T- Zellen ausplattiert worden waren, vorsichtig
zugegeben. Die Zellen wurden nach 24 Stunden entfernt und wurden
dann in 50 μl
PBS suspendiert, danach erfolgte eine Inkubation bei 37°C über 5 Minuten.
Dann wurden 50 μl
FDG (Fluorescein-di-β-D-galactopyranosid, Molecular
Probe, Eugene, OR, Katalog-Nr. F1179: 2 mM in 98% destilliertem
Wasser), das auf 37°C
vorgewärmt
war, zugegeben. Nach 1 Minute Inkubation bei 37°C wurde 1 ml PBS zugegeben und
die Zellen wurden 2 Stunden auf Eis gestellt. Nach 2 Stunden wurden
20 μl PETG
(Phenylethyl-β-D-thiogalactosid,
Sigma, Katalog-Nr. P4902) hinzu gegeben, um die Reaktion zu beenden,
und die Expressionsverteilung von lacZ in den Zellen wurde durch
FACS untersucht. Als Ergebnis wurde erhalten, dass die Promotoraktivität des EF1α-Promotors
in 293T-Zellen am
höchsten
war. Im Vergleich zu dem retroviralen Promotor, d. h. der LTR („long terminal
repeat” lange
terminale Sequenzwiederholung), war die Promotoraktivität des EF1α-Promotors
etwa 100-fach höher
und verglichen mit den anderen Promotoren war die Aktivität um mehrere
Zehnmale höher.
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[Beispiel 2] Amplifikation des Selektionsmarker-Gens
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Um
Blasticidin und Puromycin als Selektionsmarker verwenden zu können, wurde
unter Verwendung der Resistenzgene jedes Markers (bsr:
Kamakura, T. et al., Agric. Biol. Chem. 51: 3165–3168 (1987); puror: Buchholz,
F. et al., Nucleic Acids Res. 24: 3118–3119 (1996)) als Matrizen
eine PCR-Reaktion unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
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Das
Reaktionsgemisch enthielt 10 ng Matrizen-DNA, 5 μl 10 × KOD-Puffer, 5 μl 2 mM dNTP,
2,5 μl jedes
Primers zu 10 μM
(die Basensequenzen der Primer werden nachstehend gezeigt), 2 μl 25 mM MgCl2 und 1 μl
2,5 E/ml KOD-DNA-Polymerase
(TOYOBO).
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Die
für das
Blasticidin-Resistenzgen (bsr) verwendeten
Primer waren:
5'-AAAACATTTAACATTTCTCAACAAG-3' (SEQ ID NO: 1)
und
5'-ACGCGTCGACTTAATTTCGGGTATATTTGAGTG-3' (SEQ ID NO: 2)
und
diejenigen für
das Puromycin-Resistenzgen (puror) waren:
5'-ACCGAGTACAAGCCCACG-3' (SEQ ID NO: 3)
und
5'-ACGCAGATCTTCAGGCACCGGGCTTG-3' (SEQ ID NO: 4).
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Die
Temperaturbedingungen waren: 30 Sekunden bei 94°C, 25 Zyklen mit 30 Sekunden
bei 94°C·30 Sekunden
bei 54°C·2 Minuten
bei 72°C
und 10 Minuten bei 72°C.
Nach einer Behandlung mit den Restriktionsenzymen Sall für das Blasticidin-Resistenzgen
(bsr) und Bglll für das Puromycin-Resistenzgen
(puror) wurde eine Elektrophorese durchgeführt, danach
erfolgte die Extraktion aus dem Gel. Für die Extraktion wurde Qiaexll
(QIAGEN) verwendet.
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[Beispiel 3] Herstellung von pMX-IRES-EGFP
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Die
IRES-Sequenz („internal
ribosomal entry site",
interne Ribosomen-Eintrittsstelle)
ist eine Sequenz, die in der nicht-codierenden 5'-Region der viralen mRNA vorliegt, und
man nimmt an, dass sie eine charakteristische Sekundärstruktur
bildet. Aufgrund der Erkennung dieser Sequenz durch das Ribosom,
das die Translation initiiert, wird die Translation der Proteine
des Wirts gehemmt, wodurch die vorwiegende Translation des viralen
Proteins ermöglicht
wird. Um das Selektionsmarker-Resistenzgen stromabwärts der
IRES einzubauen, wurde pMX-IRES-EGFP
(Nosaka, T. et al., EMBO J. 18: 4754–4765 (1999)) mit Ncol verdaut.
Nach einer Präzipitation
mit Ethanol wurden mittels der Klenow-Reaktion glatte Enden hergestellt.
Nach einer Behandlung mit Phenol/Chloroform und einer daran anschließenden Ethanol-Präzipitation
wurde eine Behandlung mit dem Restriktionsenzym Sall, um bsr zu inserieren, oder eine Behandlung mit
Bglll, um puror zu inserieren, durchgeführt, danach
erfolgte die Ligierung jedes Konstrukts. Auf diese Weise wurde das
Selektionsmarker-Resistenzgen stromabwärts der IRES positioniert.
Das IRES-bsr-Fragment wurde aus pMX-IRES-bsr durch Verdau mit NotI (TAKARA) und Sall
herausgeschnitten, während
das IRES-puror-Fragment aus pMX-IRES-puror mit NotI und BglII herausgeschnitten wurde.
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[Beispiel 4] Amplifikation von gag-pol
und des ekotropischen env-Gens
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Die
PCRs für
gag-pol und das ekotropische env-Gen wurden unter den folgenden
Bedingungen durchgeführt.
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Das
Reaktionsgemisch bestand aus 10 ng Matrizen-DNA (Shinnick et al.,
Nature 293: 543 (1981)), 5 μl
10 × LA-Taq-Puffer,
8 μl 2 mM
dNTP, 1 μl
jedes Primers zu 10 μM
(die Nucleotidsequenzen werden nachstehend gezeigt) und 0,5 μl 5 E/ml
LA-Taq (TAKARA).
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Die
Primer, die für
die Amplifikation von gag-pol verwendet wurden, waren:
5'-CGAATTCGCCGCCACCATGGGCCAGACTGTTACCACTCCCTTAA-3
(SEQ ID NO: 5)
und
5'-TACGCCGGCGCTCTGAGCATCAGAAGAA-3' (SEQ ID NO: 6)
und
diejenigen, die für
die Amplifikation des ekotropischen env-Gens verwendet wurden, waren:
5'-CGAATTCGCCGCCACCATGGCGCGTTCAACGCTCTCAAAA-3' (SEQ ID NO: 7)
und
5'-TACGCCGGCGCTATGGCTCGTACTCTAT-3' (SEQ ID NO: 8).
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Die
Temperaturbedingungen für
gag-pol waren 2 Minuten bei 98°C,
20 Zyklen mit 20 Sekunden bei 98°C·3 Minuten
bei 68°C
und 8 Minuten bei 68°C.
Diejenigen für
das ekotropische env-Gen waren: 2 Minuten bei 98°C, 30 Zyklen mit 20 Sekunden
bei 98°C·2 Minuten
bei 68°C
und 7 Minuten bei 68°C.
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Nach
einer Elektrophorese der PCR-Produkte wurden die DNAs aus dem Gel
mit Qiaexll (QIAGEN) extrahiert. Diese DNAs wurden in TA-Vektoren
unter Verwendung des Original-TA-Clonierungskits (Invitrogen) subcloniert
und wurden dann mit EcoRI und NotI (TAKARA) verdaut.
-
[Beispiel 5] Konstruktion des gag-pol-Expressionsvektors
und des ekotropischen env-Expressionsvektors
-
Um
entweder gag-pol-IRES-bsr oder env-IRES-puror unter der Kontrolle des EF1α-Promotors
zu exprimieren, wurden die entsprechenden Sequenzen in pCHO (Hirata,
Y. et al., FEBS Letters 356: 244–248 (1994); Okayama, Y. et
al., Biochem. Biophys. Res. Commun., 838–845 (1996); pCHO wurde von
pEF-BOS abgeleitet (Mizushima, S. und Nagata, S., Nucleic Acids
Res. 18: 5332 (1990)), wie nachstehend beschrieben, eingebaut.
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[pCHO(gag-pol-IRES-bsr)
-
Nach
der Behandlung von pCHO mit dem Restriktionsenzym BamHI (TAKARA)
wurden über
eine Klenow-Reaktion glatte Enden hergestellt. Im Anschluss an eine
Ligierung mit dem Sall-Linker d(CGGTCGACCG) (Stratagene) (SEQ ID
NO: 9) wurde das Plasmid mit EcoRI und Sall (TAKARA) verdaut. Die
in den Beispielen 2 und 3 hergestellten gag-pol- und IRES-bsr-Fragmente wurden eingebaut, um pCHO(gag-pol-IRES-bsr) herzustellen.
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[pCHO(ecoenv-IRES-puro)
-
Nach
der Behandlung von pCHO mit dem Restriktionsenzymen EcoRI und BamHI
(TAKARA) wurden das in den Beispielen 2 und 3 hergestellte ecotropische
env und das IRES-puror-Fragment eingebaut,
um pCHO(ecoenv-IRES-puro) herzustellen.
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[Beispiel 6] Konstruktion eines amphotropischen
env-Expressionsvektors
-
Während das
ekotropische env-Gen nur diejenigen Zellen infizieren kann, die
von der gleichen Art stammen, kann das amphotropische env-Gen eine
Vielzahl von Zellen infizieren. Unter Verwendung dieses amphotropischen
env-Gens wurde ein env-IRES-puror-Expressionsvektor
wie in den Beispielen 4 und 5 hergestellt. Das Reaktionsgemisch
enthielt 10 ng Plasmid, in das das amphotropische env-Gen (4070A)
(Ott, D. et al., J. Virol. 64: 757–766 (1990)) eingebaut wurde,
5 μl 10 × KOD-Puffer, 5 μl 2 mM dNTP,
2,5 μl jedes
Primers zu 10 μM
(die Nucleotidsequenzen werden nachstehend gezeigt), 2 μl 25 mM MgCl2 und 1 μl
2,5 E/ml KOD-DNA-Polymerase
(TOYOBO). Als Primer wurden verwendet:
5'-CGAATTCGCCGCCACCATGGCGCGTTCAACGCTCTCAAAA-3' (SEQ ID NO: 10)
und
5'-ATGCGGCCGCTCATGGCTCGTACTCTAT-3' (SEQ ID NO: 11)
-
Die
Temperaturbedingungen waren 3 Minuten bei 98°C, 25 Zyklen mit 15 Sekunden
bei 98°C·2 Sekunden
bei 65°C·30 Sekunden
bei 72°C
und 10 Minuten bei 72°C.
-
Das
in Beispiel 5 hergestellte pCHO(ecoenv-IRES-puro) wurde mit EcoRI
und NotI verdaut und durch eine Behandlung mit dem Klenow-Enzym
mit glatten Enden versehen. Dann wurde das vorstehende amphotropische
env-Gen ligiert, um pCHO(amphoenv-IRES-puro) herzustellen.
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[Beispiel 7] Erstellung der Verpackungszellen
-
Die
aus menschlichen mesonephrogenen 293T-Zellen (DuBridge, R. B. et
al., Mol. Cell. Biol. 7: 379–387
(1987)) wurden mit dem hergestellten Konstrukt transfiziert. Die
293T-Zellen wurden zu 2 × 106 Zellen pro 6 cm-Gewebekulturschale 16 bis
24 Stunden vor der Transfektion ausplattiert. 3 μg pCHO(gag-pol-IRES-bsr) und 9 μl
Fugene (Boehringer Mannheim) wurden mit 200 μl DMEM-Medium ohne fötales Rinderserum
vermischt, und anschließend
wurde das Gemisch 5–10
Minuten stehen gelassen. Dann wurde das Gemisch zu den 6 cm-Kulturschalen
mit den ausplattierten 293T-Zellen vorsichtig zugegeben. Die Zellen
wurden 48 Stunden später
entfernt und in einer 10 cm-Schale ausplattiert, und dann wurde
ihnen DMEM-Medium,
das 10% fötales
Rinderserum (8 μg/ml
Blasticidin) enthielt, zugegeben.
-
Etwa
10 Tage später
wurden pCHO(ecoenv-IRES-puro) und pCHO(amphoenv-IRES-puro) auf ähnliche
Weise transfiziert und dann in einem Medium angezogen, das sowohl
Puromycin (0,8 μg/ml)
als auch Blasticidin (8 μg/ml)
enthielt. Die Verpackungszellen von Interesse wurden erstellt, indem
einzelne Clone durch begrenzte Verdünnung zu dem Zeitpunkt, an
dem eine Teilung der Zellen erfolgt war, erhalten wurden.
-
Die
Verpackungszelle, in die der ecoenv-Expressionsvektor eingebracht
worden war, wurde „Platinum-E-Zelle
(PLAT-E-Zelle)" benannt.
Die Zelle wurde als „Pt-E" bei einer Hinterlegungs-Institution
hinterlegt, die nachstehend beschrieben wird.
- (a)
Name und Adresse der Hinterlegungs-Stelle
Name: National Institute
of Bioscience and Human-Technology, Agency of Industrial Science
and Technology
Adresse: 1-1-3 Higashi, Tsukuba-shi, Ibaraki,
Japan (Postleitzahl: 305–8566)
- (b) Datum der Hinterlegung (Datum der Original-Hinterlegung):
31. Mai 1999
- (c) Zugangs-Nummer: FERM BP-6737
-
Darüber hinaus
wurde die Verpackungszelle, in die der amphoenv-Expressionsvektor eingebracht worden
war, „Platinum-A-Zelle
(PLAT-A-Zelle)" benannt.
Die Zelle wurde als „Plat-A" bei einer Hinterlegungs-Institution
hinterlegt, die nachstehend beschrieben wird.
- (a)
Name und Adresse der Hinterlegungs-Stelle
Name: National Institute
of Bioscience and Human-Technology, Agency of Industrial Science
and Technology
Adresse: 1-1-3 Higashi, Tsukuba-shi, Ibaraki,
Japan (Postleitzahl: 305–8566)
- (b) Datum der Hinterlegung (Datum der Original-Hinterlegung):
22. Dezember 1999
- (c) Zugangs-Nummer: FERM BP-6977
-
[Beispiel 8] Die Herstellung von Retroviren
-
Um
die Infektionseffizienz der Viruslösung, die von den Verpackungszellen
erhalten wird, zu untersuchen, wurde ein Infektionsexperiment nach
dem folgenden Verfahren durchgeführt.
Die Verpackungszellen (PLAT-E-Zellen, in die ecoenv eingebracht
worden war) wurden zu 2 × 106 Zellen pro 6 cm-Gewebekulturschale 16 bis
24 Stunden vor der Transfektion ausplattiert. 3 μg Vektor-DNA (pMX-GFP: Onishi,
M. et al., Exp. Hematol. 24: 324–329 (1996)), bei der es sich
um einen retroviralen Vektor handelt, der ein MOLuLV-Grundgerüst enthält und in
den das GFP inseriert ist, und 9 μl
Fugene wurden mit 200 μl
serumfreien DMEM-Medium vermischt und 5 bis 10 Minuten stehen gelassen.
Dieses Gemisch wurde dann der 6 cm-Schale, in die die Verpackungszellen
auspLattiert worden waren, vorsichtig zugegeben.
-
Der Überstand
(Virus-Lösung)
wurde 48 Stunden später
gesammelt und 5 Minuten bei 3.000 UpM zentrifugiert. Zu 500 μl dieser
Lösung
wurden 5 μl
1 mg/ml Polybren (Sigma) und 1 ml × 1000 IL3 (R und D) zugegeben,
und mit dieser Lösung
wurden dann 1 × 105 BaF/3-Zellen 5 Stunden infiziert. Nach
5 Stunden wurden 500 μl
RPMI1640-Medium (das IL3 enthielt) zugegeben. 24 Stunden später wurde
unter Ausnutzung der Eigenschaft des GFP), das in den infizierten
Zellen exprimiert wird, das heißt
der Eigenschaft, dass es durch Licht einer Wellenlänge von
395 nm angeregt wird und Licht bei einer Wellenlänge von 509 nm emittiert, die Infektionseffizienz
als Anteil derjenigen Zellen, die Licht emittierten (d. h. nach
der Infektion exprimierten), unter Verwendung des FACS-Scan (Fluorescein-aktiviertes
Zellsortiergerät
von Becton Dickinson) gemessen. Die Infektionseffizienz gegenüber BaF/3-Zellen
erreichte 95%, sogar ohne eine Aufkonzentrierung der Viruslösung.
-
Die
Messung der Infektionseffizienzen der Viruslösungen, die von den PLAT-E-Zellen (PLAT-E-Zellen, in
die ecoenv eingebracht worden war) und von BOSC23-Zellen, die gleichzeitig
aus flüssigem
Stickstoff aufgetaut worden waren, erhalten wurde, unter Verwendung
von BaF/3-Zellen offenbarte, dass die Infektionseffizienzen 7 Tage
nach dem Beginn der Passagen 90% oder mehr für beide Verpackungszellen betrugen.
Andererseits nahm nach 2 Monaten Passage die Infektionseffizienz
auf 23% ab, wenn BOSC23-Zellen (Pear, W. S. et al., Proc. Natl.
Acad: Sci. USA 90: 8392–8396
(1993)) verwendet wurden, wohingegen die Beibehaltung einer Infektionseffizienz,
die so hoch wie nach 7 Tagen war, sogar nach 2 Monaten Passage sowie
nach 4 Monaten Passage bestätigt
wurde (4 Monate nach Beginn der Passagierung wurde gegenüber den
BaF/3-Zellen eine Infektionseffizienz von 70% oder mehr beibehalten),
wenn PLAT-E-Zellen verwendet wurden. Das heißt, dass es für etwa 4
Monate möglich
war, Retroviren in einem Titer von etwa 1 × 107/ml
zu produzieren.
-
Wenn
die Infektionseffizienz einer Viruslösung, die aus PLAT-A-Zellen
erhalten worden war, unter Verwendung von BaF/3-Zellen gemessen
wurde, wurde ein Wert von 30% am 7. Tag nach Beginn der Passage bestätigt (Titer
etwa 1 × 106/ml).
-
[Beispiel 9] Untersuchung der Sicherheit
der PLAT-E-Zellen
-
Es
wurde untersucht, ob Retroviren, die die Fähigkeit erworben haben, sich
aufgrund einer Rekombination zu replizieren (RCR; replikationskompetente
Retroviren), nachdem die Retrovirus-Vektoren in die Zellen eingebracht
worden waren, auftraten oder nicht auftraten.
-
16
Stunden nachdem 5 × 104 NIH3T3-Zellen in 6 cm-Gewebekultur-Schalen
ausplattiert worden waren, wurden die Zellen mit Viren unter Verwendung
von 1 ml Viruslösung
infiziert, zu der 10 μl
1 mg/ml Polybrene hinzugefügt
worden war und die durch die Einbringung von pMX-neo in die Verpackungszellen
hergestellt worden war. Nach 4 Stunden wurden 3 ml DMEM mit 10%
FCS hinzugefügt
und die Anzucht wurde weiter fortgesetzt, bis eine Konfluenz erreicht
wurde. Nach einer Passage wurde das System in DMEM, das mit Polybrene
in einer Endkonzentration von 2 μg/ml
ergänzt
worden war, kultiviert, bis eine Konfluenz von 50% erreicht war.
Dann wurde das Medium ausgetauscht und die Anzucht wurde weitere
2 bis 3 Tage in 2 ml DMEM fortgesetzt. Der Überstand wurde durch einen
0,45 μm-Filter
filtriert, erneut für
die Infektion von NIH3T3-Zellen eingesetzt, die in DMEM, das G418
(neo) enthielt, unter Selektion kultiviert wurden. Wenn Retroviren,
die die Fähigkeit
zu Replikation aufwiesen, hergestellt worden wären, sollte eine gegenüber G418
resistente Kolonie erscheinen. Solche Kolonien wurden jedoch nicht
nachgewiesen.
-
[Beispiel 10] Untersuchung der Stabilität von PLAT-E-Zellen
im Vergleich zu der von BOSC23-Zellen und Phoenix-E-Zellen
-
Die
genannten Erfinder verglichen bei ihren anfänglichen Untersuchungen PLAT-E-Zellen
mit Bosc23-Zellen und Phoenix-E-Zellen im Hinblick auf ihre Fähigkeit
oder ihr Unvermögen,
Retroviren in hohem Titer mit Langzeit-Stabilität herzustellen, dies erfolgte
mit Hilfe der transienten Transfektion. Vergleiche dazu mit http://www.stanford.edu/group/ndan/tutorials/retpkg_7_phx_sys.html
(ein Kolloquium über
ekotropische und amphotropische Phoenix-Verpackungszelllinien auf
der Web-Seite des
Nolan-Labors im Department of Molecular Pharmacology/The Department of
Microbiology and Immunology in the School of Medicine at Stanford-University).
Die Kulturbedingungen für
die drei Verpackungs-Zelllinien waren wie folgt:
Gemäß den Vorschriften
des Herstellers wurden die BOSC23-Zellen in DMEM, das GPT als Selektionsmittel enthielt
(Speciality Media, Lavallette, NJ, USA) und mit 10% fötalem Rinderserumalbumin
ergänzt
worden war, vermehrt. Die Phoenix-E-Zellen wurden unter Verwendung
der Expression von CD8 als Index mittels FACS klassifiziert, sie
wurden eine Woche in DMEM, das Hygromycin (300 μg/ml) und Diphtherie-Toxin (1 μg/ml) enthielt
und mit 10% fötalem
Rinderserumalbumin ergänzt
worden war, angezogen, und wurden dann auf DEME-Medium, das mit 10% fötalem Rinderserumalbumin
ergänzt
worden war, aber kein Hygromycin und Diphtherie-Toxin enthielt, übertragen.
Die PLAT-E-Zellen wurden die ganze Zeit über in DEME, das Blasticidin
(10 μg/ml)
und Puromycin (1 μg/ml)
enthielt und mit 10% fötalem
Rinderserumalbumin ergänzt
worden war, gehalten. Die Infektionseffizienz der Retroviren, die
durch BOSC23-Zellen produziert wurden, verminderte sich innerhalb
von 3 Monaten und die der Retroviren, die von Phoenix-E-Zellen produziert
wurden, verminderte sich in ähnlicher
Weise. Andererseits behielten die Retroviren, die von PLAT-E-Zellen
produziert wurden, einen durchschnittlichen Titer von etwa 1 × 107/ml bei NIH3T3-Zellen über mindestens 4 Monate unter
Bedingungen des Wirkstoff-Selektionsdrucks sowie eine Infektionseffizienz
von 75% oder mehr (maximal 99%) bei BaF/3-Zellen bei, wenn sie transient
transfiziert wurden.
-
Um
die Expressionsspiegel von gag-pol- und env-mRNA in PLAT-E-, BOSC23-
und Phoenix-E-Verpackungs-Zelllinien zu vergleichen, wurde eine
Northern-Blot-Analyse unter Verwendung von über 3 Wochen angezogenen Zellen
durchgeführt.
Die Expressionsspiegel der gag-pol und der env-mRNA in PLAT-E-Zellen waren vierfach
beziehungsweise zehnfach höher
im Vergleich zu den anderen Zelllinien.
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Die
RT-Aktivität
in den Zelllysaten wurde ebenfalls analysiert. Es wurde nachgewiesen,
dass die RT-Aktivität
in PLAT-E-Zellen mindestens zweimal so hoch wie in BOSC23- und in
Phoenix-E-Zellen war. Des Weiteren war der Expressionsspiegel des
env-Proteins, der durch eine Antikörper-Färbung unter Verwendung von
Antikörpern,
die gegen das env-Genprodukt erzeugt worden waren, bewertet wurde,
beträchtlich
höher als der
in BOSC23- und Phoenix-E-Zellen.
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Somit
wurde gezeigt, dass PLAT-E-Zellen Retroviren in hohem Titer mit
einer Langzeit-Stabilität
herstellen können.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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