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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Identifizierung von
Antikörpern,
die spezifisch für
eine Infektion durch Mikroorganismen, wie z.B. Bakterien, Viren
und Hefen, sind und gegen diese Immunität verleihen. Ebenso werden
Verfahren zur Herstellung von Arzneimitteln, Verfahren zur Behandlung
von Patienten unter Aufbau von Datenbanken, durch diese aufgestellten
Datenbanken, Verfahren zur Herstellung von Berichten unter deren
Berücksichtigung,
Verfahren zur Bestimmung der Wirksamkeit von Impfstoffen, Datenbanken,
die hierdurch hergestellt wurden und Verfahren zur Erstellung von
Berichten, die dies berücksichtigen.
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Während des
Verlaufs einer mikrobiellen Infektion werden verschiedene adaptive
Strategien durch das Im munsystem eingesetzt. Eine solche Strategie,
die wohl die größte Bedeutung
besitzt, ist die Erzeugung einer Antikörperantwort. Antikörper, die
zur Bindung von durch das infektiöse Mittel freigesetzten Antigenen
in der Lage sind, werden hergestellt, binden an diese und ermöglichen
die Tötung
der Mikroorganismen durch Komplementaktivierung, Vermehrung von
Makrophagen und durch direkte Interaktion mit den Mikroben selbst.
Die therapeutische Wirksamkeit von Antikörpern, die zur Bindung der
gegebenen Antigene in der Lage ist, variiert, was sich in der Tatsache
widerspiegelt, dass die Antikörperproduktion
durch das Immunsystem während
des Verlaufs der Infektion ausläuft
und im Fall eines Patienten, der sich erfolgreich einer Infektion
entledigt hat, fokussiert wird.
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Die
Antikörperantwort
wird durch das Repertoire der B-Zellen ausgelöst, wobei die individuellen
B-Zellen jeweils strukturell unterschiedliche Antikörpermoleküle erzeugen.
Die aktuelle Größe dieses
Repertoires an B-Zellen/Antikörpern
ist unbekannt, aber es wird geschätzt, dass die zufällige klonale
Frequenz der Reaktivität für ein gegebenes
Antigen etwa so hoch wie 1:100.000 in gezüchteten B-Zellen ist (Nobrega
A et al., Eur J. Immunol. 1998 Apr; 28(4): 1204–15; PMID: 9565360). Während des
Verlaufs der Infektion werden Antikörper, die zur Bindung des Erregers
in der Lage sind, durch Wechsel in der Population der B-Zellen ausgewählt, was zu
Schlüssel-Antikörpern führt, die
in großer
Anzahl erzeugt werden. Die Mechanismen für diese Wechsel schließen klonale
Expansion, Isotypen-Wechsel und somatische Mutation der variablen
Regionen des Immunoglobulins. B-Zellen, die für die Herstellung von Antikörpern verantwortlich
sind, die zum Binden von multiplen Erregern in der Lage sind, verdrehen
somit das Repertoire der B- Zellen
und ändern
die Verhältnisse
der B-Zellen. Zum Beispiel war in einer Studie von B-Zellen, die
aus Blut von Individuen mit Immunität und Antikörpern gegen Plasmodium falciparum
(der ursächliche
Erreger von Malaria), die Frequenz der Kreislauf-B-Zellen, die gegenüber dem
Erreger reaktive Antikörper
bilden, so hoch wie 1 in 1403 (in nicht-infizierten Individuen konnte keine
Erregerreaktivität
gefunden werden; Migot F. et al., Clin Exp Immunol. 1995 Dec; 102(3):
529–34;
PMID: 8536368). Bei HIV-Infektionen konnte eine ähnliche Verzerrung des Kreislaufs
des B-Zellen-Repertoires
beobachtet werden, wobei die Frequenz der HIV-spezifischen Antikörper produzierenden
B-Zellen neunmal höher in
HIV + Individuen verglichen zu HIV-Subjekten (Zubler RH et al., Clin Exp
Immunol. 1992 Jan; 87(1): 31–6; PMID:
1733635).
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Es
ist offensichtlich, dass es erwünscht
ist, dazu in der Lage zu sein, die Behandlung von Infektionen im
Patienten zu bewirken. Dies kann z.B. durch Impfung oder durch passive
Immunotherapie genauso wie durch die Verwendung anderer therapeutisch
wirksamer Chemikalien erfolgen. Typischerweise wird die Impfung
dadurch erreicht, dass das Immunogen von dem infizierenden Erreger
isoliert und gereinigt wird und als Basis, entweder in einer modifizierten
oder in einer unmodifizierten Form, für einen Impfstoff verwendet
wird, der dem Patienten zur Stimulierung der Antikörperproduktion
verabreicht wird.
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Die
passive Immunotherapie kann durch Verabreichung eines Antikörpers bei
einem Patienten erreicht werden und ist insbesondere bei der Behandlung
von immunsupprimierten Patienten wirksam, die zu einer Antwort auf
die Immunisierung nicht in der Lage sind, und bei Patienten, die
eine sofortige Therapie benötigen und nicht
auf das Wirksamwerden der Impfung warten können. Die passive Immunotherapie
wird typischerweise durch Verabreichung eines monoklonalen Antikörpers, der
gegenüber
einem von einem Erreger erzeugten Immunogen spezifisch ist, bei
einem Patienten erreicht. Somit muss ein Immunogen zuerst isoliert
und gereinigt, Versuchstieren verabreicht, und es müssen Zellen
hergestellt werden, die gegenüber
dem geklonten Immunogen spezifisch sind, um die Behandlung des Patienten
zu bewirken. Der Bereich der durch die Klone hergestellten Antikörper kann
dann auf deren therapeutische Wirksamkeit getestet werden und ein
einzelner monoklonaler Antikörper
wird ausgewählt,
der dann dem Patienten verabreicht wird, um eine passive Immunotherapie
zu bewirken.
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Offensichtlich
sind all diese Techniken etwas kompliziert, unbequem, teuer und
zeitaufwendig. Im Allgemeinen erfordern sie, dass ein Immunogen
von dem infizierenden Erreger isoliert und zur Herstellung des Antikörpers verwendet
wird. Das Immunogen einfach zu isolieren kann sehr schwierig und
zeitaufwendig sein. Insbesondere stellen Carbohydrat-Antigene große Probleme
dar – sie
werden durch die Vertreter der Gruppe B Meningetidis, z.B. Neisseria
meningitidis und Streptococcus agalactiae entwickelt. Es gibt auch
komplexe nicht-lineare Epitope (d.h. mit sekundären, tertiären und quarternären Strukturmerkmalen),
die nicht in-vitro synthetisiert werden können. Als solches ist es schlicht
unmöglich,
das Antigen für
die Verwendung, z.B. als Impfstoff, zu isolieren und herzustellen.
Zusätzlich
werden einige Epitope nur durch Erreger in-vivo erzeugt und nicht
in-vitro synthetisiert. Verschiedene gegenüber dem Wirt spezifische Expressionssysteme
sind bekannt, z.B. werden in Gonorrhea (ursächlicher Organismus Neisseria
gonor rhoeae) die spezifischen Antigene durch Infektion eines Wirts
exprimiert, wobei solche Antigene in die allgemeine Klasse der Cryptantigene
fallen. Weiterhin stellen hochlabile Antigene auch Probleme für Systeme
des Standes der Technik dar, weil sie sich während der Verwendung einfach
zersetzen und das Epitop, das sie entwickeln, verloren ist. Mit
diesem großen Bereich
von Epitopen/Antigenen, deren Identifizierung und/oder in-vitro-Verwendung
von großer
Schwierigkeit oder unmöglich
ist, stellt die vorliegende Erfindung eine Lösung bereit und erlaubt die
Herstellung und Isolierung von Antikörpern, die gegen diese spezifisch
sind.
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Zusätzlich muss
der Stand der Technik typischerweise versuchen, ein Gleichgewicht
der Affinitäts-Maturation
von Antikörpern
dadurch zu erreichen, dass zuerst ein Satz von Kandidaten-Antikörpern, die
gegenüber
einem Antigen spezifisch sind, synthetisiert, ihre Bindungscharakteristiken
untersucht und dann die Sequenzen der Kandidaten modifiziert werden,
um die Bindung zu optimieren. Ein sorgfältiger Versuch bei der Affinitäts-Maturation
(d.h. die Optimierung der Antikörper-Bindung)
kann die Synthese von tausend verschiedenen Antikörpern erfordern,
was kostspielig und zeitaufwendig sein kann. Da die Antikörper der
vorliegenden Erfindung von Patienten erlangt wurden, die entweder
durch einen das Antigen entwickelnden Erreger infiziert oder die
mit einem Antigen geimpft wurden, haben sie aufgrund ihrer wirklichen
Natur und Definition bereits eine Affinitäts-Maturation unterlaufen,
wie es ganz offensichtlich durch die Sequenzen ihrer CDR3-Bereiche gezeigt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung versucht die Nachteile des Standes der Technik
zu überwinden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Identifizierung von Kandidaten-Sequenzen zumindest
des CDR3-Bereiches von Antikörpern,
die gegenüber
mindestens einem Antigen, das durch einen Mikroorganismus während einer
Infektion erzeugt wird, oder gegenüber einem Impfstoff spezifisch
sind, mit den folgenden Schritten:
- (i) Isolierung
von B-Zellen mindestens eines Patienten, der durch den Mikroorganismus
infiziert wurde oder dem der Impfstoff verabreicht wurde und Sequenzierung
zumindest des CDR3-Bereiches der VH und/oder VL codierenden Bereiche
der B-Zellen und
- (ii) Korrelation der zumindest die CDR3-Bereiche der VH und
VL codierenden Bereiche der B-Zellen sequenzierten Zellen, um eine
Gruppe von Kandidatensequenzen für
wenigstens einen CDR3-Bereich der Antikörper, die gegenüber wenigstens
einem Antigen, das durch den Mikroorganismus erzeugt wurde oder gegenüber dem
Impfstoff spezifisch ist, zu bestimmen, wobei jede aus der Gruppe
von CDR3-Kandidatensequenzen oder einer Sequenz mit wenigstens 60%
Homologie hiermit insgesamt bei einer Frequenz mit mindestens 1%
in der Gruppe der in Schritt (i) bestimmten Sequenzen auftritt.
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Beispiele
für Patienten,
die als Quelle von B-Zellen in solch einem Verfahren eingesetzt
wurden, sind Menschen oder andere Säugetiere, wie z.B. Mäuse, Hasen,
Ratten, Paviane, Affen und Menschenaffen.
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In
gewissen Ausführungsformen
der Erfindung kann Schritt (i) die Schritte umfassen:
- (i)(a) Isolierung der B-Zellen von mindestens einem Patienten,
der durch den besagten Mikroorganismus infiziert wurde oder dem
der besagte Impfstoff verabreicht wurde und
- (i)(b) Sequenzierung zumindest des CDR3-Bereiches von den VH-
und/oder VL-codierenden Bereichen der besagten B-Zellen.
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Die
Sequenzen, die insgesamt mit einer Frequenz von mindestens 1 Prozent
in dem Satz der in Schritt (i) bestimmten Sequenzen auftreten, können die
CDR3-Kandidatensequenzen oder eine Sequenz mit mindestens 80% Homologie,
z.B. 85, 90, 95, 96, 97, 98 oder 99% Homologie hiermit aufweisen.
Die Sequenzhomologie wurde unter Verwendung des BLAST2-Programms
(Tatusova TA et al., FEMS Microbiol Lett. 1999 May 15, 174(2): 247–50; PMID:
10339815) am „National
Centre for Biotechnology Information USA (www.ncbi.nlm.nih.gov)
mit vorgegebenen Parametern bestimmt.
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Beispielsweise
können
die Sequenzen, die insgesamt mit einer Frequenz von mindestens 1%
in dem Satz der in Schritt (i) bestimmten Sequenzen auftreten, CDR3-Kanndidatensequenzen
oder eine Sequenz mit einem oder zwei Aminosäurenwechseln hiervon sein.
Beispielsweise kann eine erste Sequenz bei einer Frequenz von 0,7%
und erste, zweite, dritte und vierte Sequenzen jeweils mit einem
einzelnen Aminosäurenwechsel
hiervon bei einer Frequenz von 0,1% auftreten – die gesamte Menge ist daher
1,1% und die dominante Antikörper-Sequenz (die bei
einer Frequenz von 0,5% auftritt) ist daher eine CDR3-Kandidatensequenz.
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Dies
unterscheidet sich fundamental von den Methoden nach dem Stand der
Technik, bei dem eine Bibliothek von Antikörpern in einem Vektor, wie
z.B. eine Phagen-Bibliothek, wobei die Antikörper durch Panning isoliert
wurden und die die Bindung mit einem spezifischen (bekannten) Antigen
in einem struktur- und ladungsspezifischen Zustand erfordern. Eine
Analogie, bei der die beiden miteinander verglichen werden können, wäre zu sagen,
dass die aus dem Stand der Technik bekannte Herstellung einer Bibliothek
und das nachfolgende Panning vergleichbar damit sind, in eine Bibliothek
zu gehen, ein Buch zu nehmen und zu hoffen, dass es das richtige
ist. Im Vergleich hierzu ist die vorliegende Erfindung, wie in eine
Bibliothek zu gehen, alle Bücher
in der Bibliothek zu lesen und herauszufinden, dass ein Buch dominant
ist – dass
dort viele Kopien hiervon sind – und
dass es für
die zu behandelnde Krankheit relevant ist.
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Zusätzlich weist
die aus dem Stand der Technik bekannte Verwendung von Bibliothek-Systemen
eine Vielzahl von signifikanten Problemen auf – insbesondere können einige
Antikörper,
die durch eine Bibliothek erzeugt wurden, den Tod von diesen exprimierenden
Organismen verursachen und daher können sie nicht einfach bestimmt
werden. Dies ist kein besonderes Problem, wenn z.B. nach gegen Krebs
spezifischen Antikörpern
gesucht wird, aber wenn man nach Antikörpern sucht, die gegenüber einem
Antigen von einem Erreger spezifisch sind, der homolog zu einem
durch das Expressionssystem des Wirtes (z.B. E. coli) produzierten
Antigen sein könnte,
können
wichtige Antikörper
nicht exprimiert werden. Die Verwendung von z.B. E. coli um Bibliotheken
von z.B. menschlichen Antikörpern
zu exprimieren leidet auch unter dem Problem der Verwendung von
Kodon. Kodone, die von Menschen für spezifische Aminosäuren verwendet
werden, können
oft nicht die optimalen Kodone für
die gleiche Aminosäure
in E. coli oder anderen Wirtsystemen sein. Dies bedeutet, dass ein
wichtiger Antikörper
nicht exprimiert werden könnte
(oder zumindest nicht in ausreichenden Mengen), weil die Kodone
in ihrer Sequenz in E. coli sehr ineffizient sind, was dazu führt, dass
E. coli nicht zum durchlesen und vollständigen exprimieren geeignet
ist. Die Optimierung von Kodon von Antikörper-Bibliotheken ist offensichtlich keine
Option, da die Bibliotheken zuerst sequenziert werden müssten, was
die hauptsächlichen Vorteile
der Verwendung der Bibliotheken zunichte macht. Da die vorliegende
Erfindung Antikörper
direkt vom Patienten sequenziert, wird dieses Problem vermieden.
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Der
Korrelationsschritt (i) kann auch das Auftreten von Kandidatensequenzen
gegen das Auftreten in Patienten, die nicht mit den Mikroorganismen
infiziert wurden oder denen der Impfstoff verabreicht wurde, korrelieren,
wobei Sequenzen nur dann als Kandidatensequenzen bestimmt werden,
wenn sie oder eine Sequenz mit einem oder zwei Aminosäurenaustauschen
insgesamt in einer Frequenz von weniger 1% in dem nichtinfizierten/geimpften
Patienten auftritt.
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Das
mindestens eine durch den Mikroorganismus produzierte Antigen kann
natürlich
ein Immunogen sein.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einzelne Möglichkeiten für das Verständnis von
Antikörperantworten auf
Infektionen bereit, die zuvor nicht zur Verfügung standen und stellt neue
diagnostische und therapeutische Möglichkeiten vor.
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Insbesondere
umgehen die Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung das Erfordernis, ein Antigen von dem Mikroorganismus zu
isolieren und stattdessen die I dentität der Antikörper, die gegen einen oder
mehrere durch den Mikroorganismus erzeugte Antigene spezifisch sind,
zu bestimmen. Wie im Folgenden erklärt, erlauben die Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Identifizierung von therapeutisch wirksamen Antikörpern und
erlauben die Identifizierung der wichtigsten Bereiche von Antikörper-Sequenzen.
Dies ist insbesondere erwiesen, wenn die B-Zellen eines Patienten
zu verschiedenen Zeitpunkten während
des Verlaufs einer Infektion mit einem Mikroorganismus gesammelt
werden, weil das Immunsystem des Patienten auf die Herstellung therapeutisch
wirksamer Antikörper
gegen den infizierenden Mikroorganismus fokussiert wird, wobei eine
Fokussierung von Antikörper-Sequenzen und die
Entwicklung von variablen und nicht-variablen Bereichen innerhalb
der CDR-Bereiche der VH- und VL-Sequenzen beobachtet wird. Zusätzlich erlauben
die Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung die Identifizierung von Antikörpern, die für die Behandlung
der Infektion bestimmter Patientengruppen, z.B. Alter, Geschlecht
und Rasse, am Besten geeignet sind. Gleichzeitig können durch
den Vergleich von Antikörper-Sequenzen
von Patienten, die sich von der Infektion erholt haben, mit Patienten,
die sich von der Infektion nicht erholt haben, ineffiziente Antikörper-Sequenzen
(die durch beide Gruppen von Patienten erzeugt werden können) identifiziert
werden.
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Die
von dem mindestens einen Patienten isolierten B-Zellen können periphere B-Zellen-Lymphozyten (PBLs)
sein und können
aus einer Blutprobe von dem mindestens einen Patienten isoliert
werden. B-Zellen können
auch aus anderen Quellen isoliert werden und die vorliegende Erfindung
erstreckt sich auch auf deren Verwendung, z.B. können B-Zellen aus der Milz
isoliert werden.
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CDR-Sequenzen
der Antikörper
können,
wie im Abschnitt „Versuche" detailliert beschrieben,
unter Verwendung von Standardtechniken und Definitionen von deren
Beginn und Ende bestimmt werden.
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Wie
weiter unten detailliert aufgeführt,
werden die Antikörper-Sequenzen
von Patienten mit spezifizierten Infektionen bestimmt. Diese Sequenzen
können
von B-Zellen-Immunoglobulin-mNRA
erhalten werden und spiegeln somit die exprimierten Antikörper und
deren Repertoire wider. Die gemäß der vorliegenden
Erfindung bestimmten Sequenzen müssen
keine Sequenzen eines ganzen Antikörpermoleküls sein – sie umfassen wenigstens die
VH- und VL-Sequenzen, die die für
die Antigen-Bindung verantwortlichen Bereiche spezifizieren.
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Von
den Nukleotid-Sequenzen, die durch die anfängliche Sequenzierung bestimmt
wurden, können vermeintliche
Aminosäure-Sequenzen
für die
VH- und VL-Bereiche unter Verwendung von Standard-Algorithmen und
Software-Packeten bestimmt werden (z.B. siehe www.mrclmb.cam.ac.uk/pubseq/,
das Staden-Package und Gap4-Programm).
Diese können
weiter charakterisiert werden, um die CDR-Bereiche (engl. Complementarity
Determining Region) der VH- und VL-Sequenzen, insbesondere CDR1,
CDR2 und CDR3, zu bestimmen. Methoden zur Bestimmung der vermeintlichen
Aminosäure-Sequenzen
und die Identifizierung der CDR-Bereiche sind bekannt und werden
weiter unten detailliert beschrieben.
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Genauso
wie die VH- und/oder VL-Aminosäure-Sequenzen
können
verschiedene Stücke
zusätzlicher Informationen
im Korrelationsschritt verwendet werden:
- (i)
der die Infektion des Patienten verursa chende Mikroorganismus;
- (ii) der Ort der Infektion;
- (iii) der Zeitpunkt während
des Infektionsprozesses, zu dem Antikörper-Sequenzen gesammelt werden;
- (iv) Details der Patienten – keines
oder mehr von: Geschlecht, Rasse und Alter; und
- (v) der Bereich der komplementären Bestimmungsbereiche (CDR),
d.h. die variablen Regionen der Antikörper, die eine direkte Bindung/Kontakt
des Antigens durchlaufen.
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Somit
können
in einem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung B-Zellen verwendet werden, die von mindestens einem Patienten
zu einer Vielzahl von Zeitpunkten während der Infektion des mindestens
einen Patienten durch den Mikroorganismus (oder nach Impfung) isoliert
wurden, wobei der Korrelationsschritt den Zeitpunkt während der
Infektion des mindestens einen Patienten durch den Mikroorganismus,
an dem die B-Zellen isoliert werden, korreliert.
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Gleichzeitig
können
in einem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung B-Zellen verwendet werden, die von mindestens zwei Patienten
isoliert wurden, wobei mindestens einer der Patienten sich von der Infektion
durch den Mikroorganismus erholt hat und mindestens ein Patient
sich von der Infektion durch den Mikroorganismus nicht erholt hat,
wobei der Korrelationsschritt (ii) die Wiederherstellung der mindestens
zwei Patienten von der Infektion durch den Mikroorganismus korreliert.
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Gleichzeitig
können
in einem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung B-Zellen verwendet werden, die von mindestens zwei Patienten
isoliert wurden, wobei die Patienten durch verschiedene Mikroorganismen,
die mindestens ein Antigen produzieren, infiziert wurden, sodass
der Korrelationsschritt (ii) die sequenzierten mindestens VH- und
VL-Kodierungsbereiche der B-Zellen zur Identifizierung eines Satzes
von Kandidatensequenzen für
Antikörper
korreliert, wobei von diesem jeder spezifisch gegen mindestens ein
geteiltes Antigen ist, das durch verschiedene Mikroorganismen produziert
wird oder spezifisch gegen verschiedene Antigene ist, die durch
verschiedene Mikroorganismen produziert werden.
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Die
Sequenzierung der VH- und VL-Bereiche kann auch verwendet werden,
um das umgebende Antikörper-System
zu identifizieren und dies kann verwendet werden, um den Antikörper-Isotyp
zu bestimmten. Dies kann dann im Korrelationsschritt verwendet werden,
um zu bestimmen, ob spezifische Antikörper-Isotypen besonders nützlich sind.
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Es
wurden Experimente durchgeführt,
um die VH- und VL-Bereiche von PBLs zu sequenzieren, die von Patienten
mit Methicillin-resistenten Stahylococcus aureus (MRSA), Candida
albicans, Pseudomonas aeruginosa (der ursächliche Erreger von Mukoviszidosi),
Streptococcus oralis und Vancomycin-resistenten Enterococci(VRE)-Infektionen isoliert
wurden, und um Antikörper-Sequenzen
zu identifizieren, die mit der Resistenz zu den Infektionen verbunden
sind und die daher verwendet werden können, um die Therapie gegen
solche Infektionen zu bewirken. Diese Sequenzen bilden die Basis
der GB 0127983 und der WO 01/76627.
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Von
all diesen zeigen die isolierten VH- oder VL-Sequenzen ein Verdrehen
des Antikörper-Repertoires während des
Verlaufs der Infektion, wodurch die Identi tät der maturierten, Immunität verleihenden
VH- und VL-Sequenzen offenbart wird. Dies wurde typischerweise unter
Verwendung von 5000 bis 15000 Sequenzen für jedes VH oder VL erreicht.
Die Repertoires von VH und VL von gesunden Individuen können auch
zu Vergleichszwecken verwendet werden.
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Unter
dem Begriff „Therapie" ist jede Behandlung
zu verstehen, die dafür
entworfen wurde, deren Symptome zu kurieren, zu lindern, zu entfernen
oder abzuschwächen,
oder die Möglichkeit
zu verhindern oder reduzieren, an einer Funktionsstörung oder
Fehlfunktion des menschlichen oder tierischen Körpers zu erkranken.
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Die
Erfindung ist geeignet für
die Identifizierung einer Antikörper-Sequenz,
die für
die Behandlung der obigen, genauso wie aller anderen Infektionen,
nützlich
sind, wie z.B. Virus-Infektionen, bei denen sich Antikörper als
wichtig gezeigt haben (einschließlich, aber nicht beschränkt auf
HIV, Influenza-Virus, Hepatitis-Viren A, B, C und D, hämorrhagische
Viren wie Ebola, sowie Denguefiber- und Gelbfiber-Viren) ebenso
wie parasitäre
Infektionen wie Malaria (P. falciparum).
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Unter
Verwendung der zuvor genannten zusätzlichen Informationsfelder
im Korrelationsschritt (ii) ist es einfach, die Korrelation durchzuführen, indem
z.B. nur CDR-Sequenzen, CDRs von entweder einem bestehenden Patienten
oder einer bestehenden Infektion oder beiden, CDRs von einer bestehenden
Stelle oder Patientengruppe oder CDRs von verschiedenen Probenahmezeiten
während
des Verlaufs der Infektion verwendet werden.
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Diese
Korrelationen sind CDR-spezifisch, da diese die hypervariablen Bereiche
sind, die für
die Antigen-Bindung
und für
die Sequenzen-Vielfalt des Antikörper-Repertoires
verantwortlich sind (obwohl die Systembereiche in dem Korrelationsschritt
genauso verwendet werden können,
wie zur Preisgabe des Antikörper-Isotyps).
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Die
vorliegende Erfindung ist in einem weiten Bereich von Anwendungen
nützlich,
z.B. der Antikörper-Therapie
und Impfungsstudien.
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Antikörper-Therapie:
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Dies
erfordert den passiven Transfer des Antikörpers zu nicht-immunen Individuen
(z.B. Patienten, die sich einer Chemo- oder Radio-Therapie unterziehen,
Immunosuppression für
organische Transplantationen mit geschwächtem Immunsystem aufgrund
zugrunde liegender Bedingungen, wie Diabetes, Trauma, etc, ebenso
die sehr jungen oder sehr alten).
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Die
vorliegende Erfindung kann zur Bestimmung der Sequenzen von Immunität übertragenden
Antikörpern
durch die Suche nach überrepresentierten
VH- und VL-Sequenzen in Patienten, die die Infektion überstanden
haben, bestimmt werden. Diese schützenden Antikörper können auf
dem genetischen Niveau wiederhergestellt, in E. coli (oder anderen
Expressionssystemen) über-exprimiert und gereinigt
werden. Der resultierende gereinigte rekombinante Antikörper kann
dann Patienten als eine passive Immunotherapie verabreicht werden.
Antikörper
können
ebenso von kommerziellen Anbietern, wie Operon Technologies Inc.,
USA (www.operon.com) durch deren einfache Versorgung mit der Sequenz
des herzustellenden Antikörpers
erhalten werden.
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Therapeutisch
nützliche
Sequenzen können
in einer Vielzahl von Wegen identifiziert werden, die im Korrelationsschritt
(ii) verwendet werden können:
- 1) Durch die Suche nach einer Überrepresentation
der Antikörper-Sequenz
im Patienten, die sich von der Infektion erholt haben – B-Zellen,
die zur Bindung des Erregers fähige
Antikörper
produzieren, durchlaufen eine klonale Expansion, daher sind Antikörper-Sequenzen
hoher Frequenz wahrscheinlicher, dass sie die Erreger binden und
Immunität übertragen.
- 2) Durch nachfolgende Änderungen
im Antikörper-Repertoire während des
Verlaufs der Infektion. Während der
Infektion durchlaufen Antikörper
einen Maturationsprozess um die Bindung des Erregers zu verbessern,
und dies ist durch Sequenz-Änderungen
gekennzeichnet. Ebenso ist die klonale Expansion von B-Zellen in
den Endstadien der Infektion, in denen die Infektion beseitigt wird,
vorherrschender. Die häufigsten
Antikörper
im Repertoire werden als Kandidaten für eine Immunotherapie ausgewählt. Im
Anschluss an den Maturationsprozess zeigt der Kandidaten-Antikörper, welche Änderungen
der Schlüssel-Aminosäurenreste
die Bindung des Antigens verbessern und diese Information kann zur
Verbesserung der Antikörper-Synthese
genutzt werden.
- 3) Die Analyse der Repertoires von verschiedenen Patienten mit
der gleichen Infektion kann geteilte und identische schützende Antikörper identifizieren.
Diese Antikörper
sind eine bevorzugte Auswahl für
die Immunotherapie, da ihre Anwesenheit in verschiedenen Patienten
eine stark positive Auswahl in deren Eignung vorschlägt, daher
spielen diese eine wichtige Rolle in der Antikörper-basierten Immunität.
- 4) Analyse der Repertoires von Patienten mit unterschiedlichen
Infektionen. In dieser Situation kann der Antikörper, wenn eine gemeinsame
Antikörper-Sequenz
in den Repertoires für
beide Erreger gefunden wurde, nützlich
für die
Behandlung beider Infektionstypen sein, d.h. ein breites Spektrum
offenbaren.
- 5) Analyse der Repertoires für
Affinitäts-Maturation
der Sequenzen.
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Impfstudien:
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Eine
Impfung schützt
gegen Infektionen durch Vorbereitung des Immunsystems mit einem
Antigen bzw. Antigenen, die vom Erreger stammen. Die Impfung wird
dadurch bewirkt, dass ein einzelnes oder wiederholtes Aussetzen
gegenüber
dem Antigen bzw. den Antigenen, die vom Erreger stammen, erfolgt,
und erlaubt die Maturation der Antikörper und die klonale Expansion
der B-Zellen ohne die schädlichen
Effekte des kompletten infektiösen
Prozesses. Die Einbindung von T-Zellen ist ebenso von großer Bedeutung,
um eine Impfung von Patienten zu erreichen. Die vorliegende Erfindung
kann verwendet werden, um den Immunisierungsprozess mit experimentellen
Impfstoffen zu beobachten. Der experimentelle Impfstoff wird einem
Subjekt verabreicht und die VH- und VL-Sequenzen werden vom Patienten
amplifiziert und das Antikörper-Repertoire,
wie zuvor beschrieben, analysiert. Es ist eine qualitative und quantitative
Beurteilung des Impfprozesses möglich:
- 1) Das VH/VL-Repertoire einer Gruppe von Patienten,
denen ein experimenteller Impfstoff verabreicht wurde, wurde untersucht.
Es kann eine präzise
molekulare Zerlegung der resultierenden Antikörperantwort auf den Impfstoff
durchgeführt
werden, um (a) eine klonale Expansion der schützenden Antikörper, (b)
schützende
Antikörper-Herstellung
in verschiedenen Populationen (z.B. verschiedene ethnische Gruppen
mit unterschiedlichem genetischem Hintergrund genauso wie z.B. Alter
und Geschlechtsgruppen) und (c) den Langzeiteffekt des Impfstoffs,
d.h. die Antikörperantwort über den
langen Zeitraum, Langzeit-Antikörper-Erinnerung
in dem Immunsystem genauso wie jeder Autoimmundeffekt, zu bestimmen.
- 2) Wenn die Impfung zu einer erhöhten Frequenz eines verabreichten
Antikörpers
führt,
kann die Antikörper-Sequenz
einfach kloniert und exprimiert und in Versuchstieren der Infektion
verwendet werden. Wenn der Antikörper
schützend
ist, kann er für
sich nützlich
in der Immunotherapie sein, aber dies zeigt, dass der Impfstoff
wahrscheinlich schützend
sein kann, ohne dass das menschliche Subjekt einer experimentellen Infizierung
unterworfen werden muss. Alternativ, in Abwesenheit eines geeigneten
Versuchstieres, kann der geklonte schützende Antikörper in
Zellkulturen bewertet werden (insbesondere nützlich für menschliche Studien mit HIV
und anderen Viren). Dies ist ein einzigartiger Ansatz für die Untersuchung
der Wirksamkeit von Impfstoffen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ebenso ein Ver fahren zur Herstellung eines Medikaments
für die
Behandlung einer Infektion durch einen Mikroorganismus, der mindestens
ein Antigen produziert, bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst:
- (i) Durchführung
eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Identifizierung eines Satzes von Kandidatensequenzen
für Antikörper, die
gegen das mindestens eine durch den Mikroorganismus produzierte
Antigen spezifisch sind und
- (ii) Synthese wenigstens eines Antikörpers, der eine Kandidatensequenz
aufweist, die spezifisch gegen das mindestens eine durch den Mikroorganismus
produzierte Antigen ist.
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Solch
ein Arzneimittel kann natürlich
einen pharmazeutisch verträglichen
Träger,
Verdünnungsmittel oder
Vehikel einschließen
(Remington's Pharmaceutical
Sciences and US Pharmacopoeia, 1984, Mack Publishing Company, Easton,
PA, USA; United States Pharmacopoeia, ISBN: 1889788031).
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Erfindungsgemäß wird ebenso
ein Verfahren zur Behandlung einer Infektion eines Patienten durch
einen Mikroorganismus, der mindestens ein Antigen produziert, bereitgestellt,
mit folgenden Schritten:
- (i) Durchführung eines
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, um einen Satz von Kandidatensequenzen für Antikörper, die
gegen das mindestens eine durch den Mikroorganismus produzierte
Antigen spezifisch sind, zu identifizieren;
- (ii) Synthese mindestens eines Antikörpers, der eine Kandidatensequenz
aufweist, die gegenüber
dem mindestens einen Antigen, das durch den Mikroorganismus produziert
wurde, spezifisch ist und
- (iii) Verabreichung einer therapeutisch wirksamen Menge des
mindestens einen synthetisierten Antikörpers beim Patienten.
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Erfindungsgemäß wird ebenso
ein Verfahren bereitgestellt zur Erstellung einer Datenbank zur
Identifizierung von Kandidatensequenzen für Antikörper, die gegen mindestens
ein durch einen Mikroorganismus produziertes Antigen spezifisch
sind, mit folgenden Schritten:
- (i) Durchführung eines
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Identifizierung eines Satzes von Kandidatensequenzen
für Antikörper, die
gegen mindestens ein durch einen Mikroorganismus produziertes Antigen
spezifisch sind, und
- (ii) Speichern der durch das besagte Verfahren erstellten Daten
in der Datenbank.
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Es
wird auch ein Verfahren zur Erstellung eines Reports zur Identifizierung
von Kandidatensequenzen für
Antikörper,
die gegen mindestens ein durch einen Mikroorganismus produziertes
Antigen spezifisch sind, bereitgestellt, mit folgenden Schritten:
- (i) Durchführung
eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Identifizierung eines Satzes von Kandidatensequenzen
für Antikörper, die
gegen mindestens ein durch den Mikroorganismus produziertes Antigen spezifisch
sind, und
- (ii) Erstellung eines Reports, der die durch das Verfahren nach
Schritt (i) erstellten Daten umfasst.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird auch ein Verfahren zur Bestimmung der Wirksamkeit
eines Impfstoffs mit folgenden Schritten bereitgestellt:
- (i) Sequenzierung zumindest des CDR3-Bereiches
von den VH- und/oder VL-Kodierungsbereichen mit B-Zellen, wobei
die B-Zellen von mindestens einem Patienten, dem der besagte Impfstoff
verabreicht wurde, isoliert wurden, und
- (ii) Korrelation des sequenzierten zumindest CDR3-Bereiches
der VH- und/oder VL-Kodierungsbereiche besagter B-Zellen zur Identifizierung
eines Satzes von Kandidatensequenzen zumindest für den CDR3-Bereich von Antikörpern, die
gegen den besagten Impfstoff spezifisch sind, wobei jede des besagten
Satzes von CDR3-Kandidatensequenzen oder einer Sequenz mit mindestens
60% Homologie hiermit insgesamt mit einer Frequenz von mindestens
1% in dem in Schritt (i) bestimmten Satz von Sequenzen auftritt.
-
In
bestimmten Ausführungsformen
der Erfindung kann der obige Schritt (i) folgende Schritte umfassen:
- (i)(a) Verabreichung des besagten Impfstoffs
bei mindestens einem Patienten;
- (i)(b) Isolierung von B-Zellen des mindestens einen Patienten
und
- (i)(c) Sequenzierung zumindest des CDR3-Bereiches der VH- oder
VL-Kodierungsbereiche der besagten B-Zellen.
-
Der
Korrelationsschritt (ii) kann die Korrelation des besagten sequenzierten
zumindest CDR3-Bereiches der VH- und VL-Kodierungsbereiche der besagten
B-Zellen mit sequenzierten zumindest CDR3-Bereichen der VH- und VL-Kodierungsbereiche
von B-Zellen, die von mindestens einem Patienten stammen, der durch
einen Mikroorganismus infiziert ist, gegen den die Impfung mit dem
besagten Impfstoff die Stimulierung einer schützenden Immunantwort beabsichtigt,
umfassen.
-
Wie
zuvor beschrieben, können
zusätzliche
Informationen in der Korrelation von Schritt (ii) eingesetzt werden,
einschließlich:
- (i) die Zeit seit Verabreichung des Impfstoffs;
- (ii) Patientendetails – keines
oder mehr von: Geschlecht, Rasse, und Alter; und
- (iii) der Bereich der komplementären Bestimmungsregion (CDR),
d.h. die variablen Regionen des Antikörpers, die eine direkte Bindung/Kontakt
des Antigens durchlaufen.
-
Die
Antikörper-Sequenzen,
die vom Patienten bestimmt wurden, denen der Impfstoff verabreicht
wurde, können
mit den Antikörper-Sequenzen
verglichen werden, die von Patienten isoliert wurden, die durch
den Mikroorganismus infiziert wurden, gegen den der Impfstoff zur
Stimulation einer schützenden
Immunantwort im Patienten beabsichtigt ist. Somit ist es möglich, festzustellen,
ob der Impfstoff zu der Generation von Antikörpern führt, die auch in Antwort auf
die Infekti on durch den Mikroorganismus selbst erzeugt werden. Insbesondere
kann der Vergleich durchgeführt
werden, indem Antikörper-Sequenzen
verwendet werden, die von Patienten bestimmt wurden, die sich von
der Infektion durch den Mikroorganismus erholt haben.
-
Insbesondere
kann durch das Verfahren die Wirksamkeit des Impfstoffs bei der
Stimulierung einer schützenden
Immunantwort gegen den Mikroorganismus, gegen den die Impfung mit
dem Impfstoff zur Stimulierung einer schützenden Immunantwort beabsichtigt
ist, bestimmt werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ebenso ein Verfahren zur Impfung eines Patienten
gegen eine Infektion durch einen Mikroorganismus mit folgenden Schritten
bereitgestellt:
- (i) Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung mit mindestens einem Impfstoff zur Bestimmung der Wirksamkeit
des mindestens einen Impfstoffs bei der Stimulation einer schützenden
Immunantwort gegen den Mikroorganismus, gegen den die Impfung mit
dem mindestens einen Impfstoff zur Stimulierung einer schützenden
Immunantwort beabsichtigt ist;
- (ii) Korrelation der Ergebnisse von (i) zur Bestimmung des am
Besten geeigneten von dem mindestens einen Impfstoff für den Patienten
und
- (iii) Impfung des Patienten mit dem am Besten geeigneten von
dem mindestens einen Impfstoff.
-
Bereitgestellt
wird auch ein Verfahren zur Erstellung einer Datenbank, die die
Wirksamkeit eines Impfstoffs identifiziert, mit folgenden Schritten:
- (i) Durchführung
eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Bestimmung der Wirksamkeit des Impfstoffs und
- (ii) Speicherung der durch das Verfahren erstellten Daten in
der Datenbank.
-
Ebenso
wird erfindungsgemäß ein Verfahren
zur Erstellung eines Reports, der die Wirksamkeit eines Impfstoffs
identifiziert, mit folgenden Schritten bereitgestellt:
- (i) Durchführung
eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Bestimmung der Wirksamkeit des Impfstoffs und
- (ii) Erstellung eines Reports, der die durch das Verfahren erstellten
Daten umfasst.
-
Was
die einsetzbaren Antikörper
gemäß der vorliegenden
Erfindung betrifft, können
insbesondere synthetische Antikörper
eingesetzt werden (der Begriff „Antikörper" wird auch so aufgefasst, dass er Antigen-bindende Fragmente
von Antikörpern
umfasst, sofern der Kontext nichts anderweitiges erfordert), wobei der
Antikörper
ein ganzer Antikörper
oder ein Antigen-bindendes Fragment hiervon sein und im Allgemeinen zu
jeder Immunoglobulin-Klasse gehören
kann. Somit kann er z.B. ein IgM- oder ein IgG-Antikörper sein.
Der Antikörper
oder das Fragment kann tierischen Ursprungs sein, z.B. von einem
Säugetier,
und kann z.B. von Mäusen,
Ratten, Schafen oder Menschen stammen. Es kann ein natürlicher
Antikörper
oder ein Fragment hiervon sein oder, wenn gewünscht, ein rekombinantes Antikörper-Fragment,
d.h. ein Antikörper oder
ein Antikörper-Fragment,
das unter Verwendung rekombinanter DNA-Techniken hergestellt wurde.
-
Besondere
rekombinante Antikörper
oder Antikörper-Fragmente schließen ein:
(1) solche mit einer Antigen-Bindungsstelle, die zumindest teilweise
von einem unterschiedlichen Antikörper erhalten wurde, z.B. solche,
in denen die hypervariablen oder komplementären Bestimmungsregionen eines
Antikörpers
in den variablen Netzwerkbereich eines zweiten unterschiedlichen
Antikörpers
(wie beschrieben, z.B. in
EP 239
400 ) gepfropft wurde; (2) rekombinante Antikörper oder
Fragmente, in denen von Fv verschiedene Sequenzen durch von Fv verschiedene
Sequenzen von anderen, hiervon verschiedenen Antikörpern, substituiert
sind (wie beschrieben in z.B.
EP
171 496 ,
EP 173 494 und
EP 194 276 ), oder (3) rekombinante
Antikörper
oder Fragmente, die im Wesentlichen die Struktur eines natürlichen
Immunoglobulins aufweisen, aber in denen der Hinge-Bereich eine
unterschiedliche Anzahl von Cystein-Resten im Vergleich zu den in
natürlichem
Immunoglobulin gefundenen besitzt, aber worin ein oder mehrere Cystein-Reste
in der Oberflächentasche
des rekombinanten Antikörpers
oder Fragmentes anstelle eines Aminosäurerestes, der in natürlichem
Immunoglobulin anwesend ist, vorliegt (wie z.B. beschrieben in WO
89/01782 und WO 89/01974).
-
Die
Lehren aus Druckschriften, wie z.B. Harlow, E. and Lane, D. („Using
Antibodies: A Laboratory Manual",
Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 1998), beschreiben
ausführlich
Antikörper,
Antikörper-Fragmente,
deren Herstellung und Verwendung.
-
Der
Antikörper
oder das Antikörper-Fragment
kann polyklonalen oder monoklonalen Ursprungs sein. Er kann spezifisch
für mindestens
ein Epitop sein.
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Antigen-bindende
Antikörper-Fragmente
schließen
z.B. Fragmente ein, die durch proteolytische Spaltung eines ganzen
Antikörpers
erhalten wurden, z.B. die Fragmente F(ab')2, Fab' oder Fab, oder Fragmente, die durch
rekombinante DNA-Techniken erhalten wurden, z.B. Fv-Fragmente (wie
z.B. in WO 89/02465 beschrieben).
-
Die
Antikörper
gemäß der Erfindung
können
unter Verwendung bekannter immunologischer Techniken hergestellt
werden. Somit kann z.B. jedem geeigneten Wirt das Protein injiziert
und dessen Blut gesammelt werden, um den gewünschten polyklonalen Antikörper nach
angemessener Reinigung und/oder Konzentrierung zu erhalten (z.B.
durch Affinitäts-Chromatographie
unter Verwendung des immobilisierten Proteins als dem Affinitäts-Medium).
Alternativ können
Splenozyten oder Lymphozyten vom mit dem Protein injizierten Wirt erhalten
und unter Verwendung z.B. der Methode nach Kohler et al. (1976,
Eur. J. Immunol,. 6: 511) immortalisiert werden, wobei die resultierenden
Zellen isoliert werden, um eine einzelne genetische Linie zur Herstellung
monoklonaler Antikörper
zu erhalten. Die Antikörper-Fragmente
können
unter Verwendung konventioneller Techniken hergestellt werden, z.B.
durch enzymatische Verdauung mit Pepsin oder Papain. Wo die Herstellung
rekombinanter Antikörper
gemäß der vorliegenden
Erfindung erwünscht
ist, können
diese z.B. unter Verwendung der Verfahren hergestellt werden, wie
sie in
EP 171 469 ,
EP 173 494 ,
EP 194 276 und
EP 239 400 beschrieben sind.
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Erfindungsgemäße Antikörper können mit
einem detektierbaren Marker markiert werden oder können mit
ei nem Wirkungsmolekül,
z.B. einem Arzneimittel, beispielsweise einem antibakteriellen Mittel
oder einem Toxin oder einem Enzym, unter Verwendung konventioneller
Verfahren konjugiert werden, sodass sich die Erfindung auf solche
markierten Antikörper
oder Antikörper-Konjugate
erstreckt.
-
Die
Inhalte von allen Referenzen, die hier diskutiert wurden, einschließlich der
dort zitierten Referenzen, werden hiermit mittels Querverweis in
ihrer Gesamtheit einbezogen.
-
Wo „PMID"-Referenznummern
für Veröffentlichungen
angegeben sind, beziehen sich diese auf die PubMed-Identifizierungsnummern,
wie sie durch die US National Library of Medicine zugeordnet sind,
von denen die vollständige
bibliographische Information und Zusammenfassungen für jede Veröffentlichung
auf www.ncbi.nlm.nhi.gov erhältlich
sind.
-
Die
Erfindung wird durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die
verschiedenen Figuren der begleitenden Zeichnungen weiter ersichtlich,
wobei die Zeichnungen, alleine anhand von Beispielen, Formen der Identifizierung
von Kandidatensequenzen für
Antikörper,
die spezifisch gegen mindestens ein Antigen sind, und die Bestimmung
der Wirksamkeit eines Impfstoffs zeigen.
-
Aus
den Figuren:
-
1 zeigt
die allgemeinen Prinzipien für
die Isolierung und DNA-Sequenzierung von VH- und VL-Antikörper-Genfragmenten von B-Zellen. Bezugszeichen 10 zeigt
die primäre
PCR, Bezugszeichen 20 die Klonierung in einen DNA-Sequenzierungsvektor
unter Verwendung der T-Tailing-Prinzips der zufälligen Orientierung und Bezugszeichen 30 die
Bestimmung der Nukleotidsequenz von Vorwärts- und Rückwärts-Strängen unter Verwendung von M13-Primern,
die vorwärts
oder rückwärts gerichtet
sind; und
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung einer resynthetisierten Gen-Kassette
von rekombinanten Antikörpern.
Die VH- und VL-Bereiche sind mit einem Linker verbunden, der reich
an Glycinserin ist. Jede variable Domaine enthält drei komplementäre Bestimmungsregionen
(CDRs), die an der Antigen-Bindung partizipieren.
-
Versuche
-
Die
folgenden Experimente beschreiben im Detail Verfahren zur Identifizierung
von VH- und VL-Antikörper-Sequenzen, die Patienten
mit viralen, bakteriellen oder parasitären Infektionen Immunität verleihen. Diese
Sequenzen werden dann zur Herstellung synthetischer Antikörper verwendet,
wobei diese synthetischen Antikörper
für die
Verabreichung bei Patienten zu Therapiezwecken geeignet sind.
-
Ebenso
werden im Detail Verfahren zur Bestimmung der Wirksamkeit eines
Impfstoffs bei der Erzeugung einer gewünschten Immunantwort in einem
Patienten beschrieben.
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Sofern
nichts anderes angegeben ist, wurden alle Verfahren unter Verwendung
von Standard-Protokollen und dem Benutzerhandbuch folgend, sofern
anwendbar, durchgeführt.
Die Standard-Protokolle für
verschiedene Techniken, einschließlich PCR, molekularer Klonierung,
Manipulation und Sequenzierung, Herstellung der Antikörper, Epitop-Mapping
und Mimitop-Design, Zellkulturierung und Phagen-Entwicklung werden
in Druckschriften beschrieben, wie z.B. McPherson, M. J. et al.
(1991, PCR: A practical approach, Oxford University Press, Oxford),
Sambrook, J. et al. (1989, Molecular cloning: A Laboratory Manual,
Cold Spring Harbor Laboratory, New York), Huynh and Davies (1985, "DNA Cloning Vol I – A Practical
Approach", IRL Press,
Oxford, Ed. D. M. Glover), Sanger, F. et al. (1977, PNAS USA 74(12):
5463–5467),
Harlow, E. Lane, D. ("Using Antibodies:
A Laboratory Manual",
Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 1998), Jung, G. and Beck-Sickinger,
A. G. (1992, Angew. Chem. Int. Ed. Eng., 31: 367–486), Harris, M. A. and Rae,
I. F. ("General Techniques
of Cell Culture",
1997, Cambridge University Press, ISBN 0521 573645), "Phage Display of
Peptides and Proteins: A Laboratory Manual" (Eds. Kay, B. K., Winter, J., and McCafferty,
J., Academic Press Inc., 1996, ISBN 0-12-402380-0).
-
Reagenzien
und Ausstattung, die u.a. in dem hier ausführlich beschriebenen Verfahren
eingesetzt werden können,
sind von Firmen wie Amersham (www.amersham.co.uk), Boehringer Mannheim
(www.boehringer-ingeltheim.com) Clontech (www.clontech.com), Genosys
(www.genosys.com), Millipore (www.millipore.com), Novagen (www.novagen.com),
Perkin Elmer (www.perkinelmer.com), Pharamcia (www.pharmacia.com),
Promega (www.promega.com), Qiagen (www.qiagen.com), Sigma (www.sigma-aldrich.com)
und Stratagene (www.stratagene.com) erhältlich.
-
Der
Begriff „Antikörper" in seinen vielfältigen gram matikalischen
Formen wird im Folgenden benutzt, um Immunoglobulin-Moleküle und immunologisch
aktive Bereiche von Immunoglobulin-Molekülen, d.h. Molekülen, die
eine Antikörper-Kombinierungsstelle
oder ein Paratop enthalten, zu bezeichnen. Solche Moleküle werden
ebenso als „Antigen-bindende
Fragmente" von Immunoglobulin-Molekülen bezeichnet.
-
Veranschaulichende
Antikörper-Moleküle sind
intakte Immunoglobulin-Moleküle,
im Wesentlichen intakte Immunoglobulin-Moleküle und solche Bereiche eines
Immunoglobulin-Moleküls,
die das Paratop enthalten, einschließlich solcher aus dem Stand
der Technik bekannten Bereiche, wie Fab, Fab', F(ab')2, scFv und F(v).
-
Der
Begriff „Antikörper-Kombinierungsstelle" bezieht sich auf
den strukturellen Bereich eines Antikörper-Moleküls, zusammengesetzt aus variablen
und hypervariablen Bereichen von Schwer- und Leichtketten, die spezifisch
ein Antigen binden (eine Immunreaktion mit diesem eingehen).
-
Die
Identifizierung und Sequenzierung von B-Zellen, die Antikörper produzieren
und die Analyse von den resultierenden Daten umfasst die folgenden
grundlegenden Schritte:
- 1) Isolierung von VH-
und VL-Kodierungsbereichen von zirkulatorischen B-Zellen menschlicher
Patienten.
- 2) Bestimmung der Nukleotidsequenz von VH- und VL-Repertoires.
- 3) Bestimmung von VH und VL primären Aminosäurensequenzen.
- 4) Extraktion von CDR-Bereichen in silico – Einbau in die Datenbank.
- 5) Detektion der dominanten CDR- & Netzwerkbereiche im VH- oder VL-Repertoire.
- 6) Aufbau und Herstellung von therapeutisch rekombinanten Antikörpern von
dominanten Antikörpersequenzen.
-
1. Isolierung von VH-
und VL-Kodierungsbereichen von zirkulatorischen B-Zellen menschlicher
Pati enten.
-
Für dieses
Verfahren wurden menschliche Patienten mit einer gegebenen mikrobiellen
Infektion(en) als Spender von immunisierten B-Zellen ausgewählt. Die
Kriterien für
die Auswahl waren:
- a) Der Patient muss eine
ausgeprägte
Antikörperantwort
auf den fraglichen Erreger zeigen, detektierbar z.B. durch einen
Western-Blot. Es wurden Proben von Antikörpern aus einer Blutprobe eines
Patienten gesammelt. Die Proben wurden verdünnt und mittels Western-Blot
unter Verwendung von Antigenen, die von dem mikrobiellen Erreger
erhalten wurden, auf Immunoreaktivität getestet. In solch einem
Assay zeigten Patienten, die eine starke Antikörperantwort aufwiesen, eine
ausgeprägte
Erkennung/Antikörper-Bindung des
mikrobiellen Antigens, was unter Verwendung von anti-humanen polyklonalen
Detektions-Antikörpern detektiert
wurde.
- b) Der Patient hat den Verlauf der Infektion überlebt – dies verbessert
die Chance der Erzeugung von B-Zellen-Antworten für Antikörper, die
zur Neutralisierung des Erregers in der Lage sind.
-
Periphere
B-Zellen-Lymphozyten (PBLs) wurden von Blutproben eines infizierten
Patienten gesammelt. Hierfür
wurde heparinisiertes Blut in PBS (20 ml insgesamt) verdünnt und
ein 15 ml Kissen von Ficol Hypaque (Pharmacia; sofern nicht anders
angegeben, wurden alle Chemikalien und Kulturmedien von Sigma, UK,
bezogen) in einem 30 ml Zentrifugenröhrchen mit dem Blut überdeckt.
Die PBLs wurden dann durch Zentrifugation (400 × g, 5 Minuten) in PBS gewaschen
und durch Zentrifugation erneut gewonnen. RNA wurde unter Verwendung
eines QuickPrep-mRNA-Reinigungskits (Pharmacia) aus PBLs genau gemäß dem Benutzerhandbuch
hergestellt. Die isolierte mRNA wurde zur Herstellung von cDNA über eine
entgegengesetzte Transkriptase-Reaktion
hergestellt (Promega cDNA-Synthesekit). Hierfür wurden 2 μg von mRNA erneut in 16 μL Nuklease-freiem
Wasser suspendiert und 3 Minuten lang bis 65°C erhitzt (zur Denaturierung
der sekundären Struktur)
und dann sofort 1 Minute lang auf Eis abgekühlt. Die mRNA wurde anschließend folgendem
Cocktail zugesetzt: 8 μL
25 mM MgCl2, 4 μL dNTP-Mix (10 mM im Hinblick
auf jedes Ribonukleotid-Triphosphat), 1 μL RNAsin 40 uμL–1 Stammlösung, 1,2 μL AMV entgegengesetzte
Transkriptase (25 uμL–1 Stammlösung), 6 μL cDNA 10
pmolμL–1 Primer
(siehe 1 – cDNA-Synthese). Die Mischung
wurde 1 Stunde lang bei 42°C
inkubiert und anschließend
3 Minuten lang bei 100°C
zum Beenden der Reaktion inkubiert.
-
Die
DNA-Kodierung für
die Antigen-bindenden Bereiche wurde dann mittels PCR unter Verwendung der
cDNA, die aus PBLs von Patienten hergestellt wurde, verstärkt. Hierfür wurde
die cDNA in der folgenden PCR-Reaktion verwendet, um entweder von
schweren Ketten oder von leichten Ketten stammende variable Regionen
von Anti körper-DNA
herzustellen (siehe 1): 2,5 μL cDNA, 33 μL Wasser, 4 μL dNTP-Mix (25 mM im Hinblick
auf jedes Deoxynukleotid-Triphosphat), 5 μL Taq-Reaktionspuffer (Perkin
Elmer), 2,5 μL
eines äquimolaren
Primer-Gemisches (abschließende
Konzentration von 20 pmol im Hinblick auf jeden Primer) und 0,5 μL Taq-DNA-Polymerase (1
uμL–1,
Perkin Elmer Corp.). Die Vorwärts-
und Rückwärts-Primer,
die in diesen Reaktionen verwendet wurden, sind in 1 dargestellt
und ihre entsprechenden Nukleotidsequenzen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die
Konditionen für
die PCR-Reaktion
betrugen 94°C
für 1 Minute,
57°C für 1 Minute
und 72°C
für 2 Minuten
für eine
Gesamtheit von 30 Zyklen mit einer erweiterten Denaturierung (94°C für 5 Minuten) vor
dem Zyklus 1 und einem zusätzlichen
Extensionsschritt nach dem Ende von Zyklus 30 (72°C für 10 Minuten).
Die PCR wurde unter Verwendung eines Perkin Elmer 9700 GeneAmp PCR-Geräts durchgeführt. 5 μL der PCR-Reaktion
lies man auf 1% Agarose-Gel laufen, um die Amplifizierung der erwarteten
Produkte mit 393 Basenpaaren (bp) zu überprüfen. Das verbliebene Produkt
lies man auf einem 0,8% Agarose-Gel mit niedrigem Schmelzpunkt (LMP)
laufen und der 393 bp-Bereich wurde unter Verwendung einer sauberen
Skalpellklinge herausgeschnitten. Die DNA wurde aus der Scheibe
des Agarose-Gels unter Verwendung eines GeneClean II Kits (Anachem,
Luton, UK) extrahiert.
-
Die
PCR führte
zu zwei Fragmenttypen – erhalten
von VH- bzw. VL-Bereichen, in Abhängigkeit von den verwendeten
PCR-Primer-Sets (für
Details der Primer-Sets für
die Antikörper-Gene
und ein PCR-Schema, siehe Tabelle 1 bzw. 1).
-
VH-
und VL-Genfragemente wurden in einem Klonierungs vektor pGEM-T easy
(Promega Corporation) kloniert, um die DNA-Sequenzierung zu vereinfachen.
Hierfür
wurden 3 μg
des PCR-Produktes für
die Abgrenzung unter Verwendung von PCR-Reinigungs-Schleudersäulen QIAquick
(Qiagen, UK) gemäß dem Benutzerhandbuch
hergestellt. Die DNA wurde von der Schleudersäule in 40 μL Puffer EB eluiert. Das gereinigte PCR-Produkt
(2 μL) wurde
mit 1 μL
pGEM-T easy Vektor, 6 μL
Wasser und 1 μL
DNA-Ligase gemischt und die Mischung wurde 1 Stunde lang bei Raumtemperatur
ligiert. Die Ligationen wurden anschließend in elektrokompetente E.
coli TG1-Zellen
(Stratagene) durch Elektroporation transformiert und auf Agar-Platten
mit Ampicillin 100 μgml–1 IPTG
(100 μM)
und X-gal (0,006 Gew.-%) plattiert. Man lies die Kolonien über Nacht
bei 37°C
wachsen und bewahrte sie anschließend bei 4°C auf. Die rekombinanten Kolonien
wurden als weiße
Kolonien auf diesem Medium identifiziert.
-
2. Bestimmung der Nukleotidsequenz
von VH- und VL-Repertoires
-
Die
DNA wurde zuerst aus VH- und VL-rekombinanten E. coli-Klonen hergestellt.
Hierfür
wurden jeweils einzelne Kolonien in ein 1,2 ml LB-Medium überführt, ergänzt mit
Ampicillin 100 μgml–1 unter
Verwendung eines Plattenformats mit 96 Wells. Man lies die Kulturen
bei 37°C
für 24
Stunden wachsen. Die bakteriellen Zellen wurden durch Zentrifugation
bei 4000 × g
30 Minuten lang gewonnen und die überstehende Flüssigkeit wurde
verworfen. Die Plasmid-DNA wurde unter Verwendung des Wizard SV
96 Plasmid-Reinigungskits (Promega Corporation) hergestellt, wobei
im Wesentlichen dem Benutzerhandbuch gefolgt wurde. Die Ausbeuten der
Plasmid-DNA lagen typischerweise in einer Größenordnung von 5 μg pro 1,2
ml Startkultur.
-
Die
DNA-Sequenzierungsreaktionen wurden unter Verwendung des DYEnamic
ET Farbstoffterminierungszyklus-Sequenzierungs-Kits
(Amersham Pharmacia Biotech) durchgeführt. Gereinigte Plasmid-DNA
(0,5 μg)
wurde mit 8 μL
DYEnamic ET Terminierungsreagenzvormischung und 1 μL M13 Vorwärts- oder
Rückwärts-Primer
(5 μM) in
einem Gesamtreaktionsvolumen von 20 μL gemischt. Die thermische Zyklisierung
wurde dann unter Verwendung eines GeneAmp PCR-Systems 9700 (Perkin
Elmer) mit den folgenden Parametern durchgeführt: 95°C, 20 Sekunden; 50°C, 15 Sekunden;
60°C, 1
Minute; 30 Zyklen). Die Reaktionen wurden unter Verwendung von nicht
eingefassten ELISA-Platten mit einem 96 Well-Format (AB-Gene) durchgeführt. Der
Farbstoffterminator, der nicht eingebaut wurde, wurde durch Fällung entfernt.
Hierfür
wurden die Ethanol-Proben mit 2 μL
7,5 M Ammoniumacetat und 55 μL
von 100%igem Ethanol gemischt und bei 3000 g 30 Minuten lang zentrifugiert.
Die DNA-Pellets wurden mit 70%igem Ethanol gewaschen und in 20 μL Ladungslösung erneut
suspendiert. Die Reaktionen wurden unter Verwendung eines MegaBACE
1000 DNA-Sequenzierers (Amersham Pharamcia Biotech) sequenziert,
wobei dem Benutzerhandbuch gefolgt wurde (2 kV-Injektionsspannung
für 30
Sekunden mit Elektrophorese bei kV für 200 Minuten). Die Chromatogramme
werden unter Verwendung des .scf.-Dateiformats zur Beendigung und
Archivierung exportiert.
-
3. Bestimmung
von VH- und VL-primären
Amminosäuresequenzen
-
DNA-Sequenzen
von VH und VL wurden sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärts-Strängen bestimmt (unter
Verwendung von M13 Vorwärts-
bzw. Rückwärts-Primern)
und verglichen, um die Abweichungen hervorzuheben und einen hohen
Grad an Präzision
beizubehalten. Dies erfolgte unter Verwendung der Programme von
Staden (Staden, R. (1996) The Staden Sequence Analysis Package.
Molecular Biotechnology 5, 233–241).
Zuerst wurden die Sequenz-Dateien (.scf) in das PREGAP-Programm eingegeben,
wo die Vektorsequenz gestrippt wurde und die Qualität der Sequenzen
festgestellt wurde. Sequenzen mit geringer Qualität, bei denen
die DNA-Sequenz nicht eindeutig war, wurden verworfen und erneut
sequenziert. Vorwärts-
und Rückwärts-Stränge wurden
unter Verwendung des GRP-Programms abgeglichen, um die Bereiche,
die Sequenzierungsartefakte enthielten, zu kennzeichnen und aufzulösen. Die
Orientierung der VH- oder VL-Sequenz wurde notiert, und, wenn erforderlich,
revers ergänzt,
um alleine vorwärts
gerichtete Rahmenorientierungen des Readers für die Translation zu erzeugen.
VH- und VL-Gensequenzen wurden dann in Amminosäuresequenzen umgewandelt. Jeder
Sequenz wurde eine einzelne Identifizierung (Name) gegeben.
-
3. Extraktion
der CDR-Bereiche in silico – Einbau
in die Datenbank
-
Eine
allgemeine Lehre für
die Identifizierung von CDR-Bereichen ist www.bioinf.org.uk/abs/
zu entnehmen.
-
Die
folgenden Regelsätze
erlauben die Definition der CDRs in einer Antikörper-Sequenz. Es gibt wenige
Beispiele, wo diese virtuell konstanten Merkmale nicht auftreten
(z.B. besitzt die menschliche Sequenz EU mit schwerer Kette kein
Trp-Gly nach CDR-H3). Die Cys-Reste sind das am Besten erhaltene
Merkmal. CDR-L1
Start | etwa
Rest 24 |
Vorheriger
Rest | immer
ein Cys |
Nachfolgender
Rest | immer
ein Trp. Typischerweise Trp-Tyr-Gln, aber ebenso Trp-Leu-Gln, Trp-Phe-Gln,
Trp-Tyr-Leu |
Länge | 10
bis 17 Reste; |
CDR-L2
Start | immer
16 Reste nach dem Ende von CDR-L1 |
Vorherige
Reste | im
Allgemeinen Ile-Tyr, aber ebenso Val-Tyr, Ile-Lys, Ile-Phe |
Länge | immer
7 Reste (außer
NEW(7FAB), das eine Löschung
in diesem Bereich aufweist); |
CDR-L3
Start | immer
33 Reste nach dem Ende von CDR-L2 (außer NEW(7FAB), das eine Löschung am
Ende von CDR-L2 aufweist) |
Vorheriger
Rest | immer
Cys |
Nachfolgende
Reste | immer
Phe-Gly-XXX-GLy (SEQ ID NO: 69) |
Länge | 7
bis 11 Reste; |
CDR-H1
Start | etwa
26 Reste (immer 4 nach einem Cys) |
Vorherige
Reste | immer
Cys-XXX-XXX-XXX (SEQ ID NO: 70) |
Nachfolgende
Reste | immer
ein Trp, typischerweise Trp-Val aber ebenso Trp-Ile, Trp-Ala |
Länge | 10
bis 12 Reste; |
CDR-H2
Start | immer
15 Reste nach dem Ende von CDR-H1 |
Vorherige
Reste | typischerweise
Leu-Glu-Trp-Ile-Gly
(SEQ ID NO: 71) aber eine Anzahl von Variationen |
Nachfolgende
Reste | Lys/Arg-Leu/Ile/Val/Phe/Thr/Ala-Thr/Ser/Ile/Ala |
Länge | 16
bis 19 Reste; |
CDR-H3
Start | immer
33 Reste nach dem Ende von CDR-H2 (immer 2 nach einem Cys) |
Vorherigere
Reste | immer
Cys-XXX-XXX (typischerweise Cys-Ala-Arg) |
Nachfolgende
Reste | immer
Trp-Gly-XXX-Gly (SEQ ID NO: 72) |
Länge | 3
bis 25 Reste |
-
5. Detektion der dominanten
CDR & Netzwerkregionen
im VH- oder VL-Repertoire
-
Die
Datenbank wurde unter Verwendung der SQL-Server-Database-Software (Microsoft) erstellt.
Dies erlaubte die Abfrage der Datenbank unter Verwendung von SQL
und ermöglichte
die Extraktion der CDR1-, CDR2- und CDR3-Sequenzen von jedem Bereich
der Datenbank VH- oder
VL-Sequenzen in FASTA-Format. Die extrahierten CDRs unterlagen dann
der mehrfachen Anordnung unter Verwendung von CLUSTAL X in einer
Weise, sodass identische oder sehr ähnliche CDRs zusammen in Blöcken gruppiert
wurden (Thompson, J. D. Higgins, D. G. and Gibson, T. J. (1994)
CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence
alignment through sequence weighting, positions-specific gap penalties
and weight matrix choice. Nucleic Acids Research, 22: 4673–4680).
Hiervon wurde die Frequenz sich wiederholender CDRs bestimmt und die
CDR-Dominante in dem Immunogobulin-Repertoire wurde festgestellt.
Alternativ wurde ein graphisches Interface unter Verwendung von
ProBiosys (proBionic EMEA, Amsterdam) eingesetzt. ProBiosys erstellt
Dendrogramme von CLUSTAL.phy-Dateien und erlaubt eine schnelle visuelle
Interpretation der Verhältnisse
zwischen einer großen
Anzahl von angeordneten Sequenzen. Der gesamte Prozess wurde für CDRs von
dem gleichen Patienten durchgeführt,
wobei die Proben an verschiedenen Punkten während der Krankheit genommen
wurden, und für
CDRs von Patienten mit unterschiedlichen Infektionen oder von Patientengruppen,
die sich hinsichtlich Geschlecht, Alter oder Rasse entsprachen,
in Abhängigkeit
von den Suchinformationen und den zusätzlichen Informationen, die
den Datenbankeinträgen
zugefügt
wurden.
-
6. Aufbau & Herstellung von
therapeutischen rekombinanten Antikörpern von dominanten Antikörper-Sequenzen
-
Sobald
dominante Antikörper-Sequenzen
in einem gegebenen Repertoire erkannt wurden, wurde die Information
verwendet, um die Anwesenheit von CDRs und Netzwerken, die Immunität verleihen,
abzuleiten. Ausge wählte
VH- und VL-Sequenzen wurden identifiziert und deren Gensequenzen
unter Verwendung synthetischer Oligonukleotide resynthetisiert.
Dies war wichtig, da es ermöglichte,
die vom Menschen stammende Gensequenz hinsichtlich der Kodone für E. coli
zu optimieren, um die Protein-Expression zu verbessern. Dominante
VH- und VL-Sequenzen
wurden unter Verwendung einer Spacer(Linker)-Sequenz miteinander
verbunden (2). Diese Gen-Kassette, bezeichnet
als scFv, wurde resynthetisiert, um terminale NdeI- und NotI-Restriktionsstellen
für die
Klonierung in den Expressionsvektor pET29b (Novagen) einzuschließen. ScFv-DNA
wurde mit NdeI (Abschnitte in VH) oder NotI (Abschnitte in VL) unter
Verwendung der folgenden Reaktionen abgeschnitten: 40 μL DNA (4 μg), 10 μL des Restriktionsenzym-Puffers
D (Promega), 47 μL
Wasser und 2 μL
NdeI und NotI-Enzym (10 uμL–1;
Promega) mit Verdauung bei 37°C über 4 Stunden.
Die DNA wurde dann auf 0,7% Agarose-TAE-Gele fraktioniert und die
verdaute DNA wurde aus dem Gel herausgeschnitten und von der Agarose-Scheibe
unter Verwendung des Geneclean-II-Kits (Bio 101) genau gemäß dem Benutzerhandbuch
gereinigt. pET29b-Vektor-DNA wurde mit NdeI und NotI, wie zuvor
beschrieben, abgeschnitten. 1 μg
Vektor wurde mit 1 μg
abgeschnittener VL-DNA, die in 8,5 μL Wasser erneut suspendiert
wurde, gemischt und durch Addition von 1 μL 10 × Bindungspuffer (Boehringer
Mannheim) und 0,5 μL
DNA-Ligase (3 uμL–1,
Boehringer Mannheim) gefolgt von Ligation übernacht bei 14 C ligiert.
-
Die
gesamte Ligation wurde in E. coli TG2-Zellen (Stratagene, UK) durch
Elektroporation überführt. Die Überführungsprodukte
wurden dann auf Agar-Platten enthaltend Tetracyclin (25 μgml–1 – selektiv
für recA:Tn10
auf dem Chromosom von TG2) und Kanamycin (50 μgml–1 – selektiv
für pET29)
plattiert. Rekombinante Plasmid-DNA, die aus individuellen Klonen
hergestellt wurde, wurde auf die scFv-Sequenz durch Verdauung mit
NdeI und NotI, wie zuvor beschrieben, geprüft.
-
Rekombinante
scFvs wurden im E. coli-Strang JM109(DE3) über-exprimiert und gereinigt,
wodurch die biochemische und biologische Charakterisierung ermöglicht wurde.
Die Rekombinate wurden auf LB-Platten mit 50 mg/ml Kanamycin und
einer einzelnen Kolonie, die zur Impfung einer 10 Mikroliter Startkultur
vom LB-Medium mit 50 Mikrogramm pro ml Kanamycin verwendet wurde,
ausgebreitet. Hierfür
wurde eine 1-Liter-Expressionskultur in Gegenwart von Kanamycin
bei 37°C
für 4 bis
5 Stunden unter Schütteln
bei 300 rpm hergestellt. Bei OD600 = 1 wurde
die Induktion unter Verwendung von IPTG durchgeführt und man lies die Zellen mit
kräftiger
Sauerstoffanreicherung für
weitere 3 bis 5 Stunden wachsen. Die Zellen wurden dann durch Zentrifugation
(4000 × g,
15 Minuten, 4°C)
gewonnen. Das Zellen-Pellet wurde in 10 ml frischem (4 C) Lyse-Puffer (s.
unten) resuspendiert und bei –20°C übernacht
vor dem Aufbruch der Zellen unter Verwendung von 25 ml X-Press-System (AB
Biox) aufbewahrt.
-
Lyse-Puffer
-
- 50 mM Tris HCl pH 8,0
- 1 mM EDTA
- 100 mM KCl
- 0,1 mM AEBSF (Aminoethylbenzosulphonsäure)
-
Das
Lysat wurde in einem Oakridge-Röhrchen
(24300 × g,
4°C, 30
Minuten) zentrifugiert. Das Pellet wurde erneut in 20 ml von eiskaltem
Lyse-Puffer auf Eis un ter Verwendung eines Labormischers von Silverson suspendiert.
Das Lysat wurde in 8 × Oakridge-Röhrchen aufgeteilt
und jedes Aliquot wurde auf 30 ml in eiskaltem Lyse-Puffer verdünnt (insgesamt
120 ml). Die Inklusionskörper
wurden pelletiert (24300 × g,
4°C, 30
Minuten) und die überstehende
Flüssigkeit
wurde verworfen. Jede der 8 Pellets wurde in 30 ml Lyse-Puffer erneut suspendiert
und die Inklusionskörper
wurden durch erneute Zentrifugation (24300 × g, 4 C, 30 Minuten) gewonnen.
Dieser Wasch-/Zentrifugations-Schritt
wurde insgesamt 5 × durchgeführt, um
die Fraktion des Inklusionskörpers
zu reinigen. Jedes Pellet wurde erneut in 15 ml eiskaltem Wasser
suspendiert und die Inklusionskörper
wurden bei –20°C aufbewahrt.
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Für die Neufaltung
wurden 200 ml Lösung
von 2 Gew.-% N-Lauryl-Sarcosine (NLS) in 50 mM Tris HCl pH 9,0 wie
folgt hergestellt. 4 g NLS wurden in 100 ml Wasser unter Rühren aufgelöst. 10 ml
von 1 M Tris pH 9,0 Stammlösung
wurden zugesetzt und auf 195 ml mit Wasser aufgefüllt. 5 ml
vom Slurry des Inklusionskörpers
wurden zugesetzt und 30 Minuten lang bei Raumtemperatur kräftig gerührt.
-
CuCl2 wurde bis zu einer Konzentration von 100 μM zugesetzt.
Dies dient als ein Katalysator für
die Oxidation. Die Neufaltungsreaktion wurde auf 4°C überführt und
2 Tage lang kräftig
gerührt,
um die Sauerstoffanreicherung zu fördern. Die Neufaltungsreaktion
wurde im Vakuum durch eine 0,44 μm
Vacucup-Flaschentopfiltereinheit (90 mm Durchmesser, Gellman Sciences)
filtriert und das Filtrat in ein Pellicon Labscale TFF-System, ausgestattet
mit einer PLGC10-Membraneinheit (Millipore), überführt. Die Reaktion wurde bis
auf 25 ml unter Verwendung eines tangentialen Flusses auf konzentriert
und das Permeat verworfen (das scFv wird im Rückstand lokalisiert). Die Lösung wurde
gegen 40 × Umlaufvolumen
(1 Liter) von 10 mM Ammoniumacetat (AAT) pH 9,0 diafiltriert. Schließlich wurde
das Volumen des Antikörpers
auf 50 ml unter Verwendung von 10 mM AAT pH 9,0 verdünnt. Der
mit Puffer ausgetauschte Antikörper
wurde zwei Stunden lang bei 4°C aufbewahrt.
Der typische Proteingehalt betrug 1 bis 2 mgml–1 mit
einer Ausbeute von bis zu 50 mg pro Liter.
-
Für die Reinigung
von scFv wurde ein 10 ml Bettvolumen von Ni NTA Superflow-Agarose
(Qiagen) gemäß dem Benutzerhandbuch
unter Verwendung einer 10 ml Glassäule (Sigma) ohne Flussadapter
hergestellt. Die Säule
wurde mit 50 ml Puffer B (6 M Harnstoff, 0,1 MNaH2PO4, 10 mM Tris HCl pH 8,0) äquilibriert.
Das neu gefaltete scFv (wie zuvor beschrieben) wurde 1/5 in Puffer
B verdünnt
und direkt mit der Säule
bei mlmin–1 angewandt.
50 ml Puffer B wurden in der Säule
verwendet (Flussrate 5 mlmin–1) gefolgt von 50 ml
Puffer C (gleiche Zusammensetzung wie Puffer B, aber pH 6,3). Das
gereinigte scFv wurde von der Säule
durch langsame Anwendung des Puffers B ergänzt mit 250 mM Imidazol hoher
Reinheit bis A280 < 0,05 eluiert.
-
Ergebnisse:
-
Die
variable schwere Kette (VH) der Antikörper-Gene von periphären Blutlymphozyten
wurde mit TA kloniert und sequenziert. In jedem Fall wurde der dritte
komplementäre
Bestimmungsbereich (CDR3) identifiziert. Dieser Bereich ist sowohl
der am stärksten
variable Bereich der VH-Kette und der identifizierte Bereich ist
bei der Bestimmung der Antigen-Bindung am bedeut samsten und wird
aus diesem Grund als Signatur für jede
VH-Kette verwendet. Verschiedene Bibliotheken von Sequenz-Daten
wurden entwickelt. M1 ist eine Bibliothek von VH-Sequenzen eines
Patienten mit Septicaemia, verursacht durch ein Methicillin-resistenten
Staphylococcus aureus (MRSA). M2 ist eine Bibliothek eines anderen
Patienten, mit lange stehendem MRSA-Septicaemia, wobei diese Probe am äußersten
Ende der Infektionsperiode genommen wurde. M3 ist eine weitere Bibliothek,
aufgebaut von einem Patienten, wie in M2, wobei aber die Probe zehn
Tage später
als bei der M2-Probe
genommen wurde. P1 ist eine Bibliothek von einem Patienten mit zystischer
Fibrose (CF), der lange Zeit mit Pseudomonas aeruginosa kolonisiert
wurde. C1 ist eine Bibliothek von einem Patienten, der mit systemischer
Candida albicans infiziert war.
-
Jede
Bibliothek hat eine kleine Anzahl von dominanten Antikörpern. Die
gebräuchlichsten
Antikörper in
jeder Bibliothek haben eine Frequenz von 10% (SEQ ID NO: 27) (RNNWPPT),
41% (SEQ ID NO: 28) (RSGSHYDAFNI), 32% (SEQ ID NO: 29) (VTGCFDH),
7% (SEQ ID NO: 30) (LHGFGHGFRI) und 30% (SEQ ID NO: 31) (GEIFDY)
(M1, M2, M3, P1 bzw. C1. M1 besitzt zwei hauptsächliche VH-Ketten, die 18%
der Bibliothek ausmachen. M2 besitzt vier dominante VH-Ketten, die
80% der Bibliothek ausmachen. M3 besitzt vier VH-Ketten, die 79%
der Bibliothek ausmachen. P1 besitzt drei VH-Ketten, die 18% der
Bibliothek ausmachen. Die C1-Bibliothek hat sechs VH-Ketten, die
zusammen 72% der Klone in der Bibliothek ausmachen. Verschiedene
dieser VH-Ketten
wurden in Mäusen
getestet und zeigten eine therapeutische Aktivität gegen das relevante Mittel.
-
Die
Bibliotheken M2 und M3 sind Vergleiche des VH-Repertoires über einen Zeitraum für ein Individuum mit
einer MRSA-Septicaemia. Die dominanteste VH-Kette (SEQ ID NO: 28)
(RSGSHYDAFNI) liegt bei einer Frequenz von 41% am Ende der Infektionsperiode
(M2); diese fiel nach 10 Tagen auf 22% (M3). Andere gebräuchliche
Antikörper
zeigen ähnliche
Abfälle
von 19% bis 17% (SEQ ID NO: 32) (LLGGSSGRYMDV), 10% bis 2% (SEQ
ID NO: 33) (HRGGPQCHNLNCYTLDF) und 7% bis 3% (SEQ ID NO: 34) (EAESYAERIGFDY).
Andere Antikörper
zeigen einen Anstieg des Niveaus über dem gleichen Zeitraum.
Der dominanteste Antikörper
in der M3-Bibliothek (SEQ ID NO: 29) (VTGCFDH) mit einer Frequenz
von 32% wurde bislang in der M2-Bibliothek nicht detektiert. In
diesem Fall werden VH-Ketten, die eine Reduktion in der Phase nach
der Infektion zeigen, als potentielle therapeutische Mittel angesehen.
Diejenigen Antikörper,
die einen steilen Anstieg nach der Befreiung von der Infektion zeigen,
haben wohl eine geringere Bedeutung als Therapeutika. Die Analyse
der Expression der VH-Kette während
des Verlaufs einer Infektion und danach ist wichtig, um die Identifizierung
neutralisierender Antikörper
zu unterstützen.
-
Mit
den Bibliotheken, soweit sie sequenziert wurden, wurde es ermöglicht,
das Repertoire der VH-Kette mit ähnlichen
und unterschiedlichen Infektionen zu vergleichen. M1 und M2/M3 sind
Bibliotheken von zwei verschiedenen Patienten mit der gleichen Infektion.
Bislang ist es möglich
gewesen, sechs verschiedene CDR-Sequenzen, die in beiden MRSA-Patienten
anwesend sind, zu identifizieren. Ein solcher Antikörper (SEQ ID
NO: 33) (LLGGSSGRYMDV) macht 4% des Repertoires von der M1-Bibliothek
und 19% bzw. 7% der Bibliotheken M2 und M3 aus. Dieser Antikörper ist über die
gesamte Länge
des VH-Bereichs in beiden Patienten identisch. Vier weitere unterschiedliche
VH-Ketten wurden ebenso in den Bibliotheken beider Patienten gefunden
und haben eine identische Sequenz über den Rest des VH-Bereichs
(SEQ ID NOs: 35–38)
(YDVVVTGKYAFDI, RRYHDLTTNNWFDP, NVGSGSYYTGGHWFDP, HRGGPQCHNLNCYTLDF).
Der fünfte
CDR3, den beide Patienten teilen (SEQ ID NO: 39) (ARRYGTSNYCFDH)
wurde bei einer Frequenz von 2% bzw. 3% in den Bibliotheken M1 und
M2 gefunden. Die VH-Ketten mit diesem CDR3 sind über den größten Teil der VH-Kette identisch,
außer
für einen
wichtigen Bereich, nämlich
den zweiten komplementären
Bestimmungsbereich (CDR2). Der CDR2 ist ein anderer Bereich des
voll entwickelten Antikörpers,
der mit dem Antigen in Kontakt kommt und eine wichtige Rolle bei
dessen Aktivität
spielt. Die Identifizierung von Antikörpern mit demselben CDR3, aber
unterschiedlichen Sequenzen außerhalb
dieses Bereichs, führt
zu Antikörpern
mit ähnlichen
Ziel-Antigenen, obwohl andere Eigenschaften variieren können.
-
Die
Bibliotheken von Patienten mit unterschiedlichen Infektionen wurden
ebenso verglichen. Für
diese Bibliotheken stellte es sich heraus, dass sie VH-Ketten mit
identischen CDR3-Sequenzen teilen, obwohl dies weniger gebräuchlich
erscheint. Bislang haben wir eine CDR3 gefunden, die sowohl in der
P1- als auch der M2-Bibliothek gefunden wurde (SEQ ID NO: 40) (DQSHAAQGF).
Antikörper,
die für
Patienten mit verschiedenen Infektionen gebräuchlich sind, können ein
Zeichen sein, dass die VH-Kette nicht gegenüber den interessierenden Infektionen
spezifisch ist. In diesem Fall ist es nicht möglich, auszuschließen, dass
der Patient mit der P1-Bibliothek nicht mit S. aureus in Kontakt
gekommen ist, da dies ein verbreitetes Bakterium in der Umgebung
ist.
-
Zusammenfassung der Ergebnisse:
-
- 1) Individuen, die mit Bakterien infiziert
sind, zeigen eine sehr starke Fokussierung einer kleinen Gruppe von
CDR-Sequenzen.
- 2) Das Niveau der Expression von Antikörpern mit besonderem CDR3-Typ
variiert über
den Verlauf der Infektion und in der Zeit nach der Infektion.
- 3) Es hat sich gezeigt, dass Patienten mit der gleichen Krankheit,
Antikörper
mit den gleichen CDR3-Sequenzen exprimieren. In den meisten Fällen sind
dies die gleichen für
die gesamte Länge
der VH-Kette. In anderen Fällen
wird eine Variation in anderen Bereichen der VH-Kette beobachtet.
- 4) Patienten mit unterschiedlichen Infektionen können Antikörper mit
den gleichen CDR3- und VH-Sequenzen teilen.
-
7. Zusätzliche
Studien
-
Weitere
Studien wurden unternommen, um CDR3-Bereiche in Patienten zu identifizieren,
die VRE-kolonisiert, VRE-Blutkultur-positiv, MRSA-Blutkultur-positiv
waren und mit einem Patienten mit zystischer Fibrose, der mit P.
aeruginosa infiziert war.
-
Sequenzen
der CDR3-Bereiche in den verschiedenen Bibliotheken wurden wie zuvor
beschrieben bestimmt.
-
Ergebnisse
der Versuche werden in Tabelle 2 (s. unten) dargestellt und zeigen
die Fokussierung des VH-Repertoires
von Blutkultur-positiven Patienten, von denen eine Anzahl von VH-CDR3-Sequenzen
sehr gebräuchlich
ist. In Tabelle 2 ist die SEQ-Spalte die SEQ ID NO der CDR3-Sequenz.
Die anderen Spalten zeigen die Ergebnisse für die Prozentzahlen der Klone
in jeder Bibliothek. Für
V01, n = 75; V02, n = 82; V03, n = 110; V04, n = 43; M01, n = 103;
M02, n = 231; M03, n = 150; M04, n = 136; M05, n = 229; P01, n =
131. Bibliotheksinformation
V01 | VRE-kolonisierter
Patient |
V02 | VRE-Blutkultur-positiv |
V03 | VRE-Blutkultur-positiv |
V04 | VRE-Blutkultur-positiv |
M01 | MRSA-Blutkultur-positiv |
M02 | MRSA-Blutkultur-positiv |
M03 | MRSA-Blutkultur-positiv |
M04 | MRSA-Blutkultur-positiv |
M05 | MRSA-Blutkultur-positiv |
P01 | P.
aeruginosa CF-Patient |
-
M02,
M03, M04 sind drei Proben von demselben Patienten über einen
Zeitraum.
-
Allgemeine Punkte
-
- 1) Alle Blutkultur-positiven Patienten zeigen
eine Fokussierung des VH-Repertoires. Die gebräuchlichsten VH-CDR3-Sequenzen
von jeder der Blutkultur-positiven Bibliotheken sind:
V02 (SEQ
ID NO: 62) 9%
V03 (SEQ ID NO: 68) 19%
V04 (SEQ ID NO:
67) 42%
M01 (SEQ ID NO: 40) 13%
M02 (SEQ ID NO: 45) 38%
M03
(SEQ ID NO: 67) 24%
M04 (SEQ ID NO: 45) 12%
M05 (SEQ ID
NO: 53) 4%
Die nicht-Blutkultur-positiven Bibliotheken V01
und P01 blieben relativ unterschiedlich. V01 zeigt keine feststellbare
Fokussierung und die gebräuchlichste
VH-CDR3- von P01 (SEQ ID NO: 56) macht nur 3% der Bibliothek aus.
- 2) Im Großen
und Ganzen teilen Bibliotheken von Patienten mit derselben Infektion
mehr VH-CDR3's als Patienten
mit unterschiedlichen Infektionen. Die Liste von gebräuchlichen
Antikörpern
zeigt, dass sechs verschiedene VH-CDR3-Sequenzen (SEQ ID NOs: 59,
60, 61, 66, 67 und 68) von zwei verschiedenen VRE-Blutkultur-positiven
Patienten geteilt werden. Einer von diesen sechs Antikörpern wird
bei einem sehr geringen Level (< 1%)
in der P01-Bibliothek und ein anderer bei < 1% in M04 gefunden.
VH-CDR3-Sequenzen
von den MRSA-Bibliotheken zeigen ein ähnliches Resultat. Eine VH-CDR3-Sequenz
(SEQ ID NO: 46) wurde in allen drei Bibliotheken der MRSA-Patienten
gefunden. Drei andere VH-CDR3-Sequenzen
(SEQ ID NOs: 47, 48 und 50) erscheinen in zwei verschiedenen Bibliotheken.
Keine dieser VH-CDR3-Sequenzen erscheint in Bibliotheken von Patienten
mit anderen Krankheiten.
-
VRE-Bibliotheken
-
Der
VH von drei VRE-Blutkultur-positiven Patienten (Bibliotheken V02,
V03 und V04) und von einem Patienten, der mit VRE (V01) kolonisiert
war, wurden sequenziert. Die CDR3-Sequenzen wurden verglichen.
8,4%
= SEQ ID NO: 68
6,1% = SEQ ID NO: 67
2,3% = SEQ ID NO:
62
2% = SEQ ID NO: 60
1,6% = SEQ ID NO: 61
1,6% =
SEQ ID NO: 63
1,3% = SEQ ID NO: 64
1,3% = SEQ ID NO: 66
1,3%
= SEQ ID NO: 59
-
All
diese VH-CDR3-Sequenzen wurden von den Bibliotheken V02, V03 und
V04 erhalten, keines der obigen Klone war in der Bibliothek V01
erhalten (kolonisierter Patient). Die CDR3 (SEQ ID NO: 68) war auch in < 1% der Bibliothek
M04 enthalten und SEQ ID NO: 59 war auch in < 1% der Bibliothek P01 enthalten. Sechs CDR3-Sequenzen
sind in mehr als einer Bibliothek in einer Menge von ≥ 0,9% enthalten.
-
MRSA-Bibliotheken
-
Die
MRSA-VH-CDR3-Sequenzen wurden von drei Patienten erhalten. Ein Patient
hat drei verschiedene Bibliotheken (M02, M03 und M04) entsprechend
den drei Blutproben, die 1, 11 und 32 Tage nach der Infektion genommen
wurden. Drei CDR3-Sequenzen zeigen eine Reduktion über die
Zeit nach der Infektion. SEQ ID NO: 45 fällt von 38% bis 12%, SEQ ID
NO: 46 fällt
von 23% bis 8% und SEQ ID NO: 48 fällt von 10% bis weniger als
1%. Es wird erwartet, dass VH-Ketten mit diesem CDR3 mit der MRSA-Infektion
stark zusammenhängen.
Eine andere der gebräuchlichen
CDR3-Sequenzen SEQ ID NO: 47 hat nach elf Tagen bei 24% eine Spitze
und fällt
dann auf 8%, wobei von diesem gebräuchlichen Antikörper ebenso
erwartet wird, dass er in Zusammen hang mit der MRSA-Infektion steht.
Alle der obigen Antikörper
werden hinsichtlich der Reaktivität gegenüber MRSA-Antigenen getestet.
-
Tabelle
1: Primer, die zur Herstellung und Sequenzierung von VH- und VL-Genfragmenten
verwendet wurden. Alle Sequenzen sind in der 5' bis 3'-Richtung angegeben. Die Verwendung
der Primer ist oben und in Figur 1 beschrieben.
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