DE60212941T2 - Verfahren zur übertragung ausgewählter moleküle - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen eines ausgewählten Moleküls, zum Beispiel von Polynukleotiden, wie Gene, Proteine, physiologisch aktive Moleküle und andere, in Zellen sowie ein Verfahren zum Fusionieren von Zellen.
  • Stand der Technik
  • Bei der Gentechnik und der Entwicklung von Arzneimitteln auf dem Gebiet der neueren medizinischen Wissenschaft, der Pharmazie und auf anderen Gebieten ist es zunehmend wichtig, ausgewählte Moleküle, zum Beispiel Polynukleotide, wie Gene, Proteine, physiologisch aktive Moleküle, Kandidaten für Arzneimittel und andere, in Zellen zu transferieren und anschließend die Funktion des Gens in den Zellen oder die physiologische Aktivität des physiologisch aktiven Moleküls in den Zellen zu untersuchen. Zur Zeit werden bei dem Transfer von ausgewählten Molekülen das Elektroporationsverfahren, das Genkanonenverfahren, das Liposomenverfahren, das Zellfusionsverfahren, das Virusvektorverfahren und andere verwendet, wobei aber bei keinem dieser Verfahren ausgewählte Moleküle immer in einem zufrieden stellenden Maße in die Zellen transferiert werden können.
  • Das Elektroporationsverfahren und das Genkanonenverfahren können auf viele Zellen angewandt werden, wobei sie jedoch komplizierte Arbeitsabläufe erfordern. Sie sind ferner schwierig für HTS zu modifizieren. Das Liposomenverfahren ist deshalb problematisch, da die Zellen, auf die dieses Verfahren angewandt werden kann, beschränkt sind. Ferner sind alle Verfahren teuer und selbst, wenn sie für HTS modifiziert werden könnten, wären sie extrem teuer. Ferner ist keines der genannten Verfahren zufrieden stellend hinsichtlich der Effizienz der Übertragung.
  • Journal of Biomedical Materials Research, Bd. 51 (1), 2000, 136–145, beschreibt einen röhrenförmigen Reaktor, der zur Behandlung von Dacron- Scheiben mit Kohlendioxid-Plasma verwendet wird, um die hydrophilen Eigenschaften zu verbessern.
  • International Journal of Food Science and Technology 2003, 38, 889–892 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von Escherichia coli mit atmosphärischem Gasplasma.
  • Die menschlichen und die Maus-Genanordnungen sind nun aufgeklärt und es ist jetzt sehr wichtig, Gene mit unbekannter Funktion zu analysieren, um ihre Funktionen aufzuklären. In dieser Situation ist es unabdingbar, ein Gentransferverfahren, das auf HTS anwendbar ist, zu entwickeln. Selbst bei HTS ist es wünschenswert, dass das Verfahren effizient ist und die funktionelle Analyse von verschiedenen Genen ermöglicht. Somit ist es sehr wichtig, ein hocheffizientes Gentransferverfahren zu entwickeln, das für verschiedene Zellen verwendet werden kann und nicht nur für spezifische limitierte Zellen.
  • Eine Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben genannten im Stand der Technik vorhandenen Probleme zu lösen und ein hocheffizientes Verfahren zum Übertragen von ausgewählten Molekülen in verschiedene Typen von Zellen, sowie ein Verfahren zum Fusionieren von Zellen bereit zu stellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Wir Erfinder haben gefunden, dass ein ausgewähltes Molekül, das um die Zelle vorliegt, in die Zelle übertragen wird, wenn die Zelle und/oder das ausgewählte Molekül mit kaltem Gasplasma behandelt wird. Daraufhin wurde die vorliegende Erfindung vervollständigt. Wir haben ferner herausgefunden, dass Zellen fusioniert werden, wenn sie mit einem kalten Gasplasma behandelt werden.
  • Im Detail umfasst die Erfindung das folgende:
    • (1) Ein Verfahren zum Übertragen eines ausgewählten Moleküls in eine Zelle, welches die Behandlung einer Zelle und/oder eines ausgewählten Moleküls mit einem kalten Gasplasma umfasst, um so das ausgewählte Molekül, das um die Zelle vorliegt, in die Zelle zu übertragen.
    • (2) Ein ausgewähltes Molekülübertragungsverfahren nach (1), wobei das ausgewählte Molekül zuvor hergestellt wird, so dass es um die Zelle vorliegt, und die Zelle dann mit kaltem Plasma behandelt wird.
    • (3) Ein ausgewähltes Molekülübertragungsverfahren nach (1) oder (2), wobei das ausgewählte Molekül ein Polynukleotid ist.
    • (4) Ein Verfahren zum Fusionieren von Zellen, welches die Behandlung der Zellen mit Plasma umfasst.
  • Die ausgewählten Moleküle, auf die hier sich bezogen wird, sind Moleküle, die ausgewählt werden, so dass sie in die beabsichtigten Zellen übertragen werden.
  • Die ausgewählten Moleküle umfassen hochmolekulare Verbindungen, niedermolekulare, physiologisch aktive Substanzen und Kandidaten für Arzneimittel, zum Beispiel Polynukleotide, wie DNA, RNA und ihre Derivate, und Proteine, wie Signalübertragungsproteine, transkriptionelle Kontrollfaktoren und ihre Derivate. Von diesen ausgewählten Molekülen sind die Polynukleotide und ihre Derivate bevorzugt.
  • Die Zellen, auf die hier Bezug genommen wird, sind die beabsichtigen Zellen, in die die ausgewählten Moleküle übertragen werden. Diese Zellen sind nicht spezifisch definiert. Beispiele für diese Zellen sind prokaryotische Zellen, wie Escherichia coli, Actinomyceten, Bacillus subtilis, und eukaryotische Zellen, wie Hefe, tierische Zellen und pflanzliche Zellen. Ferner sind auch Zellen mit einer Lipiddoppelschichtstruktur, wie Erythrocyten-Ghosts und Liposomen, innerhalb des Umfangs der Zellen gemäß der Erfindung.
  • Um die Übertragungseffizienz der ausgewählten Moleküle in diese Zellen zu erhöhen, ist es möglich, Zellen zu verwenden, die gemäß einem normalen Verfahren zur Erzeugung von kompetenten Zellen für den Gentransfer gebildet werden. Falls erwünscht, kann das Verfahren nach der Erfindung mit jedem anderen Gentransferverfahren kombiniert werden, wie ein Liposomenverfahren unter Verwendung eines kationischen Lipids, zum Beispiel Lipofectamin (GIBCO- BRL), oder Liposom, wodurch die Effizienz des Verfahrens zur Übertragung von ausgewählten Molekülen in Zellen weiter erhöht werden kann.
  • Das kalte Gasplasma (kaltes Plasma im Nichtgleichgewichtszustand, kaltes, schwach ionisiertes Plasma) für die Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel durch Koronaentladung erzeugt werden. Seine Eigenschaften können in Abhängigkeit von dem Typ und der Bedingung der Erzeugungseinheit variieren. Hinsichtlich des Plasmas, das für die Durchführung der Erfindung verwendet wird, können der Gastyp, die Plasmadichte, die Elektronentemperatur und die Behandlungszeit in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den verwendeten Zellen und den ausgewählten Molekülen sowie von der Umgebung, in der der Betrieb durchgeführt wird, bestimmt werden. Hinsichtlich des Gastyps, der für das kalte Gasplasma verwendet wird, ist wenigstens ein Gas bevorzugt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Sauerstoff, Luft, Kohlendioxid, Stickstoff und Argon besteht.
  • Das Erzeugungsgerät für das kalte Gasplasma, das bei der Erfindung verwendet wird, kann ein offenes oder ein geschlossenes Gerät sein. Hinsichtlich der Einfachheit bei der Behandlung von Zellen ist ein offenes Gerät bevorzugt. Ein spezifisches Beispiel für die Vorrichtung, die gemäß dem Verfahren nach der Erfindung verwendet wird, ist in der 1 gezeigt. Diese Vorrichtung umfasst eine elektrische Leitung und eine Gasleitung. Die elektrische Leitung umfasst einen Signalgeber, einen linearen Verstärker, einen Anpassungsstromkreis und einen Zusatztransformator. Diese dienen zur Steuerung der Parameter Spannung zwischen den Elektroden, Entfernung zwischen den Elektroden, Frequenz, Pulsdauer, Nutzleistung und anderen. Unter den kontrollierten Bedingungen wird der Kopf für die Erzeugung von verschiedenen Plasmen entladen. Andererseits passiertin der Gasleitung ein einzelnes oder gemischtes, die aus einem Gaszylinder oder einer Luftpumpe zugeführt werden, durch ein Nadelventil, um eine in geeigneter Weise gesteuerte Strömungsrate zu erzeugen, und wird dem Kopf zugeführt. Das in dem Kopf erzeugte Plasma wird durch das Gas zu der Probe geblasen, die vor dem Kopf angeordnet ist. Um die Plasmabestrahlung unter geeigneten Bedingungen für jede Zellprobe, verschiedene Typen von Organismen oder für ausgewählte Moleküle (einschließlich Gene, niedermolekulare Substanzen, Proteine und andere) durchführen zu können, sollten diese Bedingungen variiert werden, um die Festsetzung der Bedingungen für das Plasma und seine Bestrahlung zu verändern.
  • Eine spezifische Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Entfernung der Kultur von den kultivierten, adhäsiven Zellen, die auf einem Zellkulturkit, wie einer Platte, kultiviert wurden, oder von den Zellen, die durch Zentrifugation, Filtration oder ähnliches gesammelt wurden, und die anschließende Zugabe einer kleinen Menge einer Lösung eines ausgewählten Moleküls auf die Oberfläche jeder Zelle. Anschließend wird diese mit dem Plasma, das durch einen Plasmaerzeuger hergestellt wurde, behandelt. Die Plasmabehandlungszeit kann im Allgemeinen zwischen einigen Sekunden und einigen Dutzend Sekunden liegen, wobei dies in Abhängigkeit von dem Plasmazustand variieren kann. Nach der Plasmabehandlung wird ein Medium zu den Zellen hinzugefügt und die Zellen werden weiter darin kultiviert. Falls das ausgewählte Molekül ein Vektor ist, der ein Gen oder etwas Ähnliches enthält, ist dies für Genrekombinationsexperimente nützlich. Falls das ausgewählte Molekül eine Kandidatensubstanz für einen Arzneistoff ist, der auf ein spezifisches Molekül in den Zellen abzielt, ist dies nützlich für die Selektion der Kandidaten.
  • Die 1 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes für die Genübertragung oder die Zellfusion, das bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendet wird.
  • Die 2 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Plasmaerzeugereinheit (Elektrodenteil) in dem Gerät für den Gentransfer oder die Zellfusion, das nach dem Verfahren der Erfindung verwendet wird, und der Probe, die mit der Einheit zu behandeln ist.
  • Die 3, 4 und 5 zeigen jeweils die Spektraldaten von Plasmen, die unter verschiedenen Bedingungen in dem Gerät erzeugt wurden, das für den Gentransfer oder die Zellfusion in den Beispielen gemäß der Erfindung verwendet wurde. Für die Messung der Daten wurde ein Spektrophotometer, Otsuka Electronics' MCPD-3000, verwendet. In einem Abstand von etwa 3 cm von dem Plasma wurde eine Sonde angeordnet, um das Spektrum des Plasmas aufzunehmen.
  • Beste Ausführungsform der Erfindung
  • Unter Bezug auf die folgenden Beispiele wird nun die Erfindung näher im Detail beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
  • Beispiel 1:
  • Ein Gerät wurde gemäß 1 hergestellt, Die Bedingungen des Plasmaerzeugers in diesem Gerät waren die folgenden: Die Spannung zwischen den Elektroden betrug von einigen kV bis zu mehr als 10 kV; der Abstand zwischen den Elektroden war zwischen 10 und 15 mm; die Frequenz betrug 20 bis 40 kHz; die Pulsdauer betrug 30 bis 90 Hz; die Nutzleistung war von 25 bis 100%; das Gas war ausgewählt aus Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Argon oder Helium/Luft = 1/1 und die Bestrahlungszeit betrug etwa 1 bis 5 Sekunden. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe war etwa 1 bis 3 cm. Innerhalb des Bereiches wurde eine geeignete Bedingung für die Probe ausgewählt.
  • Mit diesem Gerät können zum Beispiel Plasmen mit den Spektren gemäß den 3 bis 5 erzeugt werden. Unter Verwendung des Plasmaerzeugungsgerätes wurde ein Gentransfer durchgeführt. Lungenfibroblasten vom Chinesischen Hamster, CHL-Zellen, wurden in einer Zellkulturplatte mit einem Durchmesser von 60 mm aufgetragen und über Nacht bei 37°C und unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Die Zahl der Zellen, mit der die Kultur begonnen wurde, betrug 1 × 106 Zellen/Vertiefung. Nachdem bestätigt wurde, dass die Zellen an der Platte hafteten, wurde das Medium von der Kulturplatte entfernt und 110 μl einer GFP-Expressionsplasmid-Flüssigkeit (1 μg/μl) wurde auf die Zelloberfläche gegeben. Dann wurde dies einer Plasmabestrahlung unter verschiedenen Bedingungen mit dem oben erläuterten Gerät unterworfen. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde ein Medium hinzugefügt und die Zellen wurden über Nacht kultiviert. Dann wurden die Zellen unter einem Fluoreszenzmikroskop hinsichtlich der Expression des GFP-Proteins beobachtet und die Zahl der exprimierenden Zellen pro Gesichtsfeld wurde bestimmt. Ferner wurden die das GFP-Protein exprimierenden Zellen pro Gesamtzellzahl in jeder Vertiefung durch FACS-Durchflusscytometrie quantifiziert.
  • Im Ergebnis wurde eine GFP-Expression unter jeder Bedingung beobachtet. Die Übertragungseffizienz betrug maximal etwa 60% bei der mikroskopischen Beobachtung und war etwa 5 bis 25% bei der FACS-Inspektion.
  • Ein Plasmaerzeuger, Plasma Surface Treater ST-7000, verkauft von KEYENCE, ist ein Gerät des gleichen Typs, wie das hier verwendete Gerät. Dieses kann ein Plasma mit dem in der 5 gezeigten Spektrum erzeugen und dies kann für die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich sein.
  • Beispiel 2:
  • 2-1) Übertragung in anhaftende Zellen einer etablierten tierischen Zelllinie:
  • Etablierte tierische Zellen wurden auf eine Platte mit sechs Vertiefungen aufgetragen und über Nacht bei 37°C und unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Die Zahl der Zellen, Fibroblasten des Chinesischen Hamsters, CHL-Zellen, die am Start der Kultur aufgetragen wurde, betrug 1 × 106 Zellen/Vertiefung und die Zahl der Hela-Zellen, abstammend von einem menschlichen Gebärmutterkrebs, war 2,5 × 105 Zellen/Vertiefung. Nachdem bestätigt wurde, dass die Zellen an der Platte hafteten, wurde das Medium von der Kulturplatte entfernt, und 50 μl einer GFP-Expressionsplasmid (pEGFP-C1)-Flüssigkeit (μg/μl) wurden auf die Zelloberfläche gegeben. Dies wurde dann einer Plasmabestrahlung mit einem Plasmaerzeuger unterworfen. Die Bedingungen des Plasmaerzeugers waren die folgenden: Die Spannung zwischen den Elektroden während der Entladung betrug 10 bis 14 kV; der Abstand zwischen den Elektroden war 13 mm; die Frequenz war 23,3 kHz; die Pulsdauer war 60 Hz; die Nutzleistung war 50% und die Gasluftdurchflussmenge war 38 Liter/Minute. Die Bestrahlung wurde für etwa 3 Sekunden durchgeführt. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Probe wurde in geeigneter Weise bestimmt. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde ein Medium hinzugefügt, und die Zellen wurden über Nacht kultiviert. Dann wurden die Zellen unter einem Fluoreszenzmikroskop hinsichtlich der Expression des GFP-Proteins beobachtet und die Zahl der exprimierenden Zellen pro Gesichtsfeld wurde bestimmt. Ferner wurden die das GFP-Protein exprimierenden Zellen pro Gesamtzellzahl in jeder Vertiefung durch FACS-Durchflusscytometrie quantifiziert.
  • Im Ergebnis wurde eine GFP-Expression in allen Zelltypen beobachtet. Unter der Bedingung, dass die Spannung zwischen den Elektroden während der Entladung 10 bis 14 kV war, der Abstand zwischen den Elektroden 13 mm betrug, die Frequenz 20 kHz war, die Pulsdauer 60 Hz war, die Nutzleistung 50% war und die Gasluftdurchflussmenge 38 Liter/Minute betrug, war die Übertragungseffizienz maximal etwa 70% bei der mikroskopischen Beobachtung und betrug etwa 30% bei der FACS-Inspektion (dies ist die Genübertragungseffizienz pro Gesamtzahl der Zellen in der Schale), Die Übertragungseffizienz mit Hela-Zellen ist bei den existierenden Verfahren gering, wobei aber mit dem Verfahren gemäß der Erfindung es möglich wird, eine hohe Übertragungseffizienz von etwa 70% oder so ähnlich in einigen Bereichen zu erreichen.
  • Beispiel 3 – Übertragung in planktonische Zellen einer etablierten tierischen Zelllinie:
  • Eine Phosphatpuffer-Suspension von menschlichen, akut lymphoblastischen, leukämischen, von peripherem Blut abstammenden T-Zelllinie-Jurkatzellen, 2,25 × 107 Zellen/ml, wurde hergestellt. 25 μl der Zellsuspension wurde mit der gleichen Menge einer GFP-Expressionsplasmidlösung (2 μg/μl) gemischt und die erzielte Mischung wurde in eine frische Platte mit sechs Vertiefungen gegeben. Die Menge betrug 50 μl/Vertiefung. Diese wurde dünn auf den Boden von jeder Vertiefung verteilt und dann mit Plasma aus einem Plasmaerzeuger bestrahlt. Bei diesem Beispiel wurde der Plasmaerzeuger wie in Beispiel 1 angetrieben. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde ein Medium hinzugegeben, und die Zellen wurden über Nacht bei 37°C und unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Dann wurden die Zellen unter einem Fluoreszenzmikroskop hinsichtlich der Expression des GFP-Proteins beobachtet. Ferner wurden die das GFP-Protein exprimierenden Zellen pro Gesamtzellzahl in jeder Vertiefung mittels FACS-Durchflusscytometrie quantifiziert.
  • Im Ergebnis wurde eine GFP-Proteinexpression bei der Beobachtung unter dem Fluoreszenzmikroskop bestätigt. Die durch FACS bestätigte Übertragungseffizienz war etwa 25%.
  • Beispiel 4 – Übertragung in Hirnrindezellen der Ratte:
  • Eine Ratten-Hirnrinde wurde wie folgt präpariert: Eine schwangere Ratte (Wister, 17 Tage schwanger) wurde anästhesiert und der Uterus mit dem Fetus wurde durch eine abdominale Operation herausgenommen und in L-15 (GIBCO-BRL) gegeben. Dann wurde der Hirnrindenbereich von dem Gesamtgehirn des Fetus abgetrennt, 40 ml einer 0,25% Trypsinlösung und 80 μl einer 1% DNAse Lösung wurden zu dem Hirnrindenbereich hinzugefügt, der dann bei 37°C für 20 Minuten inkubiert wurde. Der erzielte Überstand wurde entfernt und 10 ml von FBS wurde zu dem Rest hinzugefügt. Dieser wurde pipettiert, um die Zellen aufzulockern. Dies wurde dann durch ein Zellsieb gegeben, und etwa 20 ml eines Neurobasal-Mediums (GIBCO-BRL) wurden hinzugesetzt und die Zellen durch Zentrifugation gesammelt, Für die Kulturinitiation wurden die Zellen in einem Neurobasal-Medium (25 μM Glutaminsäure, 500 μM Glutamin, 30 nM NaSeO3, enthaltend Penicillin und Streptomycin) suspendiert, so dass 5 × 105 Zellen/ml vorlagen. Diese wurden in einer Platte mit sechs Vertiefungen bei 37°C und unter 5% Kohlendioxid kultiviert.
  • Nachdem bestätigt wurde, dass die Zellen an der Platte hafteten, wurde das Medium von der Kulturplatte entfernt und 50 μl einer GFP-Expressionsplasmidflüssigkeit (1 μg/μl) wurden auf die Zelloberfläche gegeben. Dann wurde dies einer Plasmabestrahlung mit einem Plasmaerzeuger unterworfen. Die Bedingungen für den Plasmaerzeuger waren wie folgt: Die Spannung zwischen den Elektroden während der Entladung war 10 bis 14 kV; die Entfernung zwischen den Elektroden war 13 mm; die Frequenz betrug 23,3 kHz; die Pulsdauer war 60 Hz; die Nutzleistung betrug 50% und die Gasluftdurchflussmenge war 38 Liter/Minute. Die Bestrahlung wurde für etwa 1 Sekunde durchgeführt. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde Medium hinzugefügt und die Zellen wurden über Nacht kultiviert. Die Zellen wurden dann unter einem Fluoreszenzmikroskop hinsichtlich der Expression des GFP-Proteins beobachtet.
  • Im Ergebnis wurden Zellen mit GFP-Proteinexpression gefunden. Die Übertragungseffizienz war maximal 70% pro Gesichtsfeld. Eine Genübertragung in primär kultivierte, tierische Zellen, wie hier gezeigt, ist bei den existierenden Genübertragungsverfahren fast unmöglich. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine sichere, einfache und effiziente Genübertragung in primär kultivierte, tierische Zellen ermöglicht.
  • Beispiel 5 – Übertragung in Kleinhirn-Körnerzellen der Ratte:
  • Eine 9 Tage alte Wister-Ratte wurde mit Äther anästhesiert und ihr Gehirn wurde herausgenommen. Das Kleinhirn wurde daraus herausgeschnitten und die Hirnhaut wurde entfernt. Das Kleinhirn wurde in Stücke geschnitten und 10 ml einer Papainlösung (diese wurde hergestellt durch Mischen von 90 Einheiten Papain (Worthington-biochem) in 10 ml eines Phosphatpuffers mit 2 mg DL-Cystein (Sigma) und 50 mg Albumin darin gelöst, wobei die erzielte Mischung bei 37°C für eine Weile stehen gelassen wird, um diese zu aktivieren, und dann wurden 50 μl DNase I (Takara) hinzugefügt und vor Verwendung wurde dies filtriert und sterilisiert) wurde hinzugegeben und bei 37°C für etwa 30 Minuten geschüttelt. 6 ml Pferdeserum (HS) wurde hinzugegeben und zentrifugiert. Die erzielte Gewebeablagerung wurde in einem Serummedium suspendiert (5% PFCS und 5% HS, enthaltend DME/F12(1/1) Medium). Dies wurde auf eine mit Polyethylenimin beschichtete Platte mit 6 Vertiefungen gegeben, wobei 2,5 × 106 Zellen/Vertiefung erzielt wurden, Es wurde über Nacht bei 37°C unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Das Medium wurde gegen ein Hoch-Kalium (26 mM), 1 μM AraC (Sigma) – enthaltendes Medium (5% HS, Kaliumbicarbonat/2,1 g, 30 nM Na2SeO4 in MEM (Sigma)), ausgetauscht und die Zellen wurden weiter für 5 Tage bei 37°C unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Nachdem bestätigt wurde, dass die Zellen an der Platte gut hafteten, wurde das Medium von der Kulturplatte entfernt und 50 μl einer GFP-Expressionsplasmidflüssigkeit (1 μg/μl) wurden auf die Zelloberfläche gegeben. Dann wurde dies einer Plasmabestrahlung mit einem Plasmaerzeuger unterworfen und die Bedingungen für den Plasmaerzeuger waren die folgenden: Die Spannung zwischen den Elektroden während der Entladung war 10 bis 14 kV; der Abstand zwischen den Elektroden betrug 13 mm; die Frequenz betrug 23,3 kHz; die Impulsperiode war 60 Hz; die Nutzleistung war 50% und die Gasluftdurchflussmenge war 38 Liter/Minute. Die Bestrahlung wurde für etwa 1 Sekunde durchgeführt. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde Medium hinzugefügt, und die Zellen wurden über Nacht kultiviert. Dann wurden die Zellen unter einem Fluoreszenzmikroskop hinsichtlich der Expression des GFP-Proteins beobachtet.
  • Im Ergebnis wurden Zellen mit einer GFP-Proteinexpression gefunden. Die Übertragungseffizienz war maximal 40% pro Gesichtsfeld. Ein Gentransfer in primär kultivierte, tierische Zellen, wie hier gezeigt, ist mit existierenden Genübertragungsverfahren fast unmöglich. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine sichere, einfache und effiziente Genübertragung in primär kultivierte, tierische Zellen.
  • Beispiel 6 – Übertragung in Hämendothelzellen, die von der menschlichen Nabelvene abstammen (HUVEC):
  • Die Zellen wurden unter Verwendung von Total Kit (Toyobo) für normale, menschliche Nabelvenen-Endothelzellen kultiviert.
  • Normale menschliche Nabelvenen-Endothelzellen (HUVEC) wurden in einer Platte angeordnet, so dass 2,5 × 105 Zellen/Vertiefung vorlagen. Diese wurden über Nacht bei 37°C unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Nachdem sichergestellt wurde, dass die Zellen gut an der Platte hafteten, wurde das Medium von der Kulturplatte entfernt und 50 μl einer GFP-Expressionplasmidflüssigkeit (1 μg/μl) wurde auf die Zelloberfläche gegeben. Dann wurde dies einer Plasmabestrahlung mit einem Plasmaerzeuger unterworfen. Die Bedingungen für den Plasmaerzeuger waren die folgenden: Die Spannung zwischen den Elektroden während der Entladung war 10 bis 14 kV; der Abstand zwischen den Elektroden war 13 mm; die Frequenz betrug 23,3 kHz; die Pulsperiode war 60 Hz; die Nutzleistung war 50% und die Gasluftdurchflussmenge war 38 Liter/Minute. Die Bestrahlung wurde für etwa 1 Sekunde oder 3 Sekunden durchgeführt. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde ein Medium hinzugefügt und die Zellen wurden über Nacht kultiviert. Dann wurden die Zellen unter einem Fluoreszenzmikroskop hinsichtlich der Expression des GFP-Proteins beobachtet.
  • Im Ergebnis wurde ein GFP-Gentransfer auch in die Hämendothelzellen, die von menschlichen Nabelvenen abstammten, bestätigt. Die Übertragungseffizienz war höchstens 50% pro Gesichtsfeld. Ein Gentransfer in primär kultivierte, tierische Zellen, wie hier gezeigt, ist mit existierenden Genübertragungsverfahren fast unmöglich. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen sicheren, einfachen und effizienten Gentransfer in primär kultivierte, tierische Zellen.
  • Beispiel 7 – Differenzierungsinduktion von PC12-Zellen im sympathischen Nervensystem:
  • Dies diente zur Untersuchung, ob die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung für die Genübertragung behandelten Zellen noch ihre Funktion aufrechterhalten. Konkret wurden PC12-Zellen hinsichtlich ihrer Differenzierungspotenz in sympathische Nervensysteme getestet.
  • Ein GFP-Gen wurde in PC12-Zellen gemäß dem Verfahren nach der Erfindung, wie in Beispiel 1 dargestellt, übertragen. NGF wurde der Kultur der Zellen bis auf 100 ng/ml hinzugefügt, und die Zellen wurden für 6 Tage kultiviert. Dann wurde die Morphologie der PC12-Zellen, von denen unter einem Fluoreszenzmikroskop bestätigt wurde, dass sie das GFP-Protein exprimieren, beobachtet, um ihre Differenzierungspotenz in sympathische Zellen zu überprüfen.
  • Im Ergebnis exprimierten die PC12-Zellen, welche das GFP-Gen besaßen, das gemäß dem Verfahren nach der Erfindung übertragen wurde, das GFP-Protein selbst 6 Tage nach der NGF-Zugabe, und zusätzlich unterstützte die Zellmorphologiebeobachtung sicher die Nervenfortsatz-Ausdehnung von den Zellen. Dies bestätigt, dass das Genübertragungsverfahren mit Unterstützung durch die Plasmabestrahlung die Eigenschaft der Differenzierungspotenz mit NGF in sympathische Zellen, die intrinsisch für PC12-Zellen ist, nicht verändert.
  • Beispiel 8 – CREB-Aktivierung durch Genübertragung in PC12-Zellen (Reportergentest):
  • Dies diente zur Untersuchung, ob die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung in Zellen transferierten Gene ihre Funktion in den Zellen ausüben können. Konkret wurden PC12-Zellen, in die CREB und PKA transferiert wurden, mittels Reportergentests analysiert, um festzustellen, ob CREB durch das PKA-Gen aktiviert werden kann.
  • Phäochromozytom-PC12-Zellen der Ratte (ATCC Nr. CRL-1721) wurden zu 1 × 106 Zellen/Vertiefung in Platten mit sechs Vertiefungen, die mit Collagen IV beschichtet waren, angeordnet und über Nacht bei 37°C und unter 5 Kohlendioxid kultiviert. Nachdem bestätigt worden war, dass die Zellen an der Platte hafteten, wurde das Medium aus der Kulturplatte entfernt. Die Zellen wurden mit einer Mischung behandelt, die hergestellt wurde durch Mischen eines PKA-Gens (pFC-PKA) (1 μg/μl), eines CREB-Reportergens (pCRE-Luc) mit einem Luciferasegen, das stromab mit der Wirkungssequenz von aktiviertem CREB (1 μg/μl) und einem internen Standard, Renilla-Luciferasegen (pRL-SV40) verbunden war, wobei jeweils 17 μl eingesetzt wurden. Die Behandlung wurde gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wie in Beispiel 2 durchgeführt, um so die Gene gemeinsam in die PC12-Zellen zu transferieren. Einen Tag nach dem Gentransfer wurden die PC12-Zellen auf Luciferaseaktivität getestet.
  • Im Ergebnis wurde ein signifikanter Luciferaseaktivitätsanstieg bzw. ein signifikanter CREB-Transkriptionsaktivitätsanstieg in den PKA-transferierten Zellen im Vergleich zu den mit einem Kontrollvektor transferierten Zellen gefunden. Dies bestätigt, dass das Gen, das in die PC12-Zellen einer etablierten Kulturzelllinie gemäß dem Genübertragungsverfahren und der assoziierten Plasmabestrahlung transferiert worden war, seine Funktion in den Zellen ausübt,
  • Beispiel 9 – CREB-Aktivierung durch Genübertragung in Kleinhirn-Körnerzellen der Ratte (Reportergentest):
  • Dies diente zur Untersuchung, ob das gleiche Ergebnis, wie oben berichtet, auch mit primär kultivierten, tierischen Zellen erzielt werden kann, bei denen eine Genübertragung mit konventionellen Verfahren schwierig ist. Dafür wurden die Kleinhirn-Körnerzellen der Ratte in der gleichen Weise wie in dem Beispiel 8 behandelt. Die Kleinhirn-Körnerzellen der Ratte wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 5 etabliert. Ein PKA-Gen (pFC-PKA) (1 μg/μl), ein CREB-Reportergen (pCRE-Luc) mit einem Luciferasegen, das stromab mit der Wirkungssequenz von aktiviertem CREB (1 μg/μl) und einem internen Standard, Renilla-Luciferasegen (pRL-SV40), verbunden war, wurden in die Zellen unter Verwendung eines Plasmaerzeugers gemäß dem Beispiel 2 gmeinsam transferiert, und die Zellen wurden dann für 1 Tag kultiviert. Die Zellen wurden dann hinsichtlich ihrer Luciferaseaktivität getestet.
  • Im Ergebnis war die Luciferaseaktivität der primären Ratten-Neurozyten signifikant erhöht im Vergleich zu Zellen, in die ein Kontrollgen transferiert wurde. Dies bestätigt somit, dass das Plasmaübertragungsverfahren selbst bei primären Ratten-Neurozyten (Kleinhirn-Körnerzellen der Ratte) keine Abnormalitöt bei dem CREB Signalübertragungsweg durch PKA ergibt.
  • Aus der obigen Darstellung wird deutlich, dass das mit der Plasmabestrahlung zusammenhängende Genübertragungsverfahren es ermöglicht, ein Gen selbst in primäre Neurozyten zu übertragen, bei denen ein Gentransfer mit konventionellen Methoden schwierig ist, und dass das übertragene Gen seine Funktion in den Zellen exprimieren kann. Ferner vereinfacht das Verfahren den Reportergentest.
  • Beispiel 10 – Apoptoseinduktion durch eine BAD-Genübertragung in Kleinhirn-Körnerzellen der Ratte:
  • Kleinhirn-Körnerzellen der Ratte wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 5 präpariert. Fünf Tage nach AraC-Zugabe wurde das Medium von den Zellen entfernt. Eine Lösung mit einem die Apoptose induzierenden Gen, BAD-Gen (pcDNA3.1/GS-BAD) (1 μg/50 μl), wurde zu 50 μl/Vertiefung den Zellen hinzugefügt, und die Zellen wurden einer Plasmabestrahlung unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 unterworfen. Sofort anschließend wurde ein Medium hinzugegeben und die Zellen wurden über Nacht bei 37°C und unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Damit wurde die Caspase-Aktivität der Zellen mit CaspASE FITC-VAD-FMK in-situ Marker (Promega) gemessen, um zu untersuchen, ob eine Apoptose in den Zellen induziert worden war.
  • Im Ergebnis wurde eine signifikante Caspase-Aktivität in den Zellen, in die das BAD-Gen übertragen wurde, im Vergleich zu den MOCK-Zellen, in die der Vektor alleine übertragen wurde, gefunden. Dies bedeutet, dass Apoptoseinduzierte Zellen nachgewiesen wurden.
  • Zusätzlich wurden die Zellen auf eine DNA-Fragmentierung unter Verwendung von APO-DIRECT (Pharmingen) überprüft, um festzustellen, ob in den Zellen, in die das BAD-Gen mit dem Verfahren gemäß der Erfindung übertragen worden war, sicher eine Apoptose induziert worden war.
  • Im Ergebnis wurden Zellen mit einer signifikanten DNA-Fragmentierung in den Zellen mit dem BAD-Gen nachgewiesen im Vergleich zu den MOCK-Zellen, in die der Vektor alleine übertragen wurde.
  • Diese Ergebnisse bestätigen, dass das BAD-Gen, welches in Kleinhirn-Körnerzellen der Ratten mit dem Verfahren gemäß der Erfindung übertragen wurde, eine Apoptose in den Zellen signifikant induzierte und seine Funktion ausübte. Gemäß den obigen Ergebnissen wurde bestätigt, dass ein Gen, welches in primäre Kulturzellen mit dem Verfahren nach der Erfindung übertragen wird, zuverlässig seine Funktion in den Zellen ausübt.
  • Beispiel 11 – Untersuchungen auf Zellfusion mit von der Lunge des Chinesischen Hamsters abstammenden CHL-Zellen, von menschlichem Gebärmutterkrebs abstammenden Hela-Zellen und mit Phäochromozytom-PC12-Zellen der Ratte:
  • In der gleichen Weise wie in Beispiel 2 wurde ein GFP-Gen in CHL-Zellen und in Hela-Zellen übertragen. Diese Zellen wurden unter einem Fluoreszenzmikroskop auf fusionierte Zellen untersucht. Die Kerne der Zellen wurden mit Dif Quick (International Reagents) angefärbt und die fusionierten Zellen wurden unter dem Mikroskop beobachtet. Die Kerne wurden wie folgt angefärbt: Nach Behandlung mit dem Plasma wurden die Zellen für 1 Tag kultiviert und die Kulturflüssigkeit wurde von den Zellen abgesaugt. Dann wurden die an der Schale haftenden Zellen mit einem Phosphatpuffer gewaschen und etwa 5 ml/Vertiefung Methanol (Wako) wurden hinzugefügt. Die Zellen wurden für 5 Minuten bei Raumtemperatur fixiert. Etwa 2 ml/Vertiefung der Färbeflüssigkeit I wurden hinzugefügt und sofort wieder abgesaugt. Dann wurden 2 ml/Vertiefung der Färbelösung II hinzugefügt und diese wurde auch sofort wieder abgesaugt. Die haftenden Zellen wurden einige Male mit Ionenaustausgetauschtem Wasser gewaschen und dann unter einem Mikroskop beobachtet.
  • In den CHL- und den Hela-Zellen, in die das GFP-Gen mit dem Verfahren nach der Erfindung übertragen wurde, wurden große fusionierte Zellen gefunden. Nach Anfärbung des Zellkerns von diesen Zellen, die mit Plasmabestrahlung behandelt wurden, wurde gefunden, dass einige Zellen zusammen mit ihren Kernen fusioniert waren und dass einige andere Zellen fusioniert waren, wobei mehrkernige Zellen erhalten wurden.
  • Andererseits wurde ein GFP-Gen in Phäochromozytom-PC12-Zellen der Ratte in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 übertragen, wobei jedoch die Zahl der Zellen, die auf die Platte mit den sechs Vertiefungen übertragen wurden, 5 × 106/Vertiefung betrug und somit relativ groß war. NGF wurde zu den Zellen in der gleichen Weise wie in Beispiel 7 zugegeben, und die Zellen wurden hinsichtlich ihrer Differenzierungspotenz überprüft.
  • Auch die fusionierten Zellen exprimierten das GFP-Protein sechs Tage nach der NGF-Zugabe, und eine Nervenfortsatz-Ausdehnung wurde bei den fusionierten Zellen eindeutig gefunden. Dies lässt die Vermutung zu, dass die durch Plasmabestrahlung gebildeten, fusionierten Zellen die intrinsische Eigenschaft der PC12-Zellen hinsichtlich der Differenzierungspotenz mit NGF zu sympathischen Zellen behalten hatten.
  • Beispiel 12 – Kombination mit der Liposomenmethode:
  • Dies diente zur Untersuchung, ob das Verfahren nach der Erfindung eine Genübertragung in Zellen ermöglicht und zwar selbst unter schwierigen Bedingungen bei einer durch Liposomen unterstützen Genübertragung.
  • Bei dem Liposomenverfahren werden ein Liposomenreagenz und ein Übertragungsplasmid gemischt, um gemischte Partikel mit einer geeigneten Größe herzustellen, und diese Partikel werden in Zellen eingeführt. Demgemäß muss bei dem Verfahren eine vorbestimmte Zahl an Partikeln mit einer vorbestimmten Größe hergestellt werden. Dieses Beispiel diente zur Untersuchung, ob die Genübertragungseffizienz unter schwierigeren Bedingungen mit einer höheren Plasmidkonzentration und einem höheren Liposomenreagenzgehalt als unter den optimierten Bedingungen verbessert werden kann. Dafür wurde ein GFP-Gen in die Zellen übertragen.
  • Konkret wurden zunächst 100 μg eines GFP-Expressionsplasmides und 100 μl von Lipofectin 2000 (GIBCO-BRL) gemischt und bei Raumtemperatur für 15 Minuten stehen gelassen, um ein Plasmid/Lipofectin-Konjugat zu erzeugen. Von dem vorherigen Tag lagen CHL-Zellen kultiviert in einer Platte mit sechs Vertiefungen vor, und der Kulturüberstand wurde von der Platte entfernt. 200 μl des Plasmid/Lipofectin-Konjugats wurden der Platte zugesetzt. Mit einem Plasmaerzeuger wurde die Platte mit dem Plasma bestrahlt, Die Bedingungen waren die folgenden: Die Frequenz war 23,3 kHz, die Pulsdauer betrug 60 Hz, die Nutzleistung war 50% und die Gasluftdurchflussmenge war 38 Liter/Minute. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde ein Medium hinzu gegeben und die Zellen wurden bei 37°C unter 5% Kohlendioxid kultiviert. Nach einer Kulturdauer von 1 Tag wurden die Zellen unter einem Fluoreszenzmikroskop beobachtet und die das GFP-Protein exprimierenden Zellen wurden mittels FACS nachgewiesen.
  • Selbst bei diesen Bedingungen wurden einige Zellen gefunden, die das mit einem Liposomenverfahren allein übertragene GFP aufwiesen. In Kombination mit dem Verfahren nach der Erfindung waren die Zellen, die das Gen enthielten, in dem Plasmabestrahlungsbereich erhöht im Vergleich zu dem Liposomenverfahren allein. Ferner wurde der Anteil der Zellen mit dem übertragenen Gen zu der Gesamtzellzahl in jeder Vertiefung mittels FACS bestimmt. Es wurde gefunden, dass die Übertragungseffizienz bei der Kombination mit dem Verfahren nach der Erfindung um das 1,6-fache im Vergleich zu dem Liposomenverfahren allein erhöht war. Wenn das Verfahren nach der Erfindung mit einem anderen Genübertragungsverfahren kombiniert wird, oder wenn ein Liposom oder ein anderer, das Liposom ersetzender Träger, der die Plasmidübertragung in Zellen fördern kann, zur Verwendung bei dem Verfahren nach der Erfindung eingebunden wird, kann die Übertragungseffizienz selbst bei schwierigen Zellen und unter schwierigen Bedingungen, bei denen die Übertragungseffizienz zuvor nicht gut war, verbessert werden.
  • Beispiel 13:
  • Hier wurde ein Plasmaerzeuger hinsichtlich der Übertragung des GFP-Expressionsplasmides in kultivierte Zellen getestet.
  • Das Verfahren war das folgende: Phäochromozytom-PC12-Zellen der Ratte (ATCC Nr. CRL-1721) wurden zu 1 × 106 Zellen/Vertiefung auf eine Platte mit sechs Vertiefungen, die mit Collagen IV beschichtet war, aufgetragen und über Nacht kultiviert. Nachdem sichergestellt worden war, dass die Zellen an der Platte hafteten, wurde das Medium von der Kulturplatte entfernt und 50 μl einer GFP-Expressionsplasmidflüssigkeit (1 μg/μl) wurde auf die Zelloberfläche aufgetragen. Dann wurde dies einer Plasmabestrahlung mit einem Plasmaerzeuger, Plasma Surface Treater ST-7000 (von KEYENCE), unterworfen, Hinsichtlich des Zustandes des Plasmaerzeugers ST-7000 war die Frequenz nach einem der drei Zustände von hoch, niedrig oder Metall eingestellt, und die Bestrahlung wurde für etwa 5 Sekunden in jedem Einzelfall fortgesetzt. Sofort nach der Plasmabestrahlung wurde ein Medium zugesetzt und die Zellen wurden über Nacht kultiviert. Unter Verwendung eines Fluoreszenzmikroskops wurden die Zellen hinsichtlich der Expression des GFP-Proteins überprüft.
  • Das Ergebnis war das folgende: Unter allen Bedingungen wurde eine GFP-Expression in den Zellen gefunden.
  • Die Übertragungseffizienz war am höchstens bei der hohen Frequenzbedingung und lag zwischen 50 und 60%.
  • Beispiel 14:
  • Evans-Blau (10 mg/ml physiologische Kochsalzlösung) wurde dünn über das gesamte Abdomen von Nackt-Mäusen (8 Wochen alt, weiblich, Nippon Charles River) unter Betäubung aufgetragen. Unter Verwendung eines Plasmaerzeugers wurde dann eine Bestrahlung mit Plasma durchgeführt. Die Spannung zwischen den Elektroden während der Entladung lag bei 10 bis 14 kV; die Entfernung zwischen den Elektroden betrug 13 mm; die Frequenz war 23,3 kHz; die Pulsdauer betrug 60 Hz; die Nutzleistung war 50% und die Gasluftdurchflussmenge betrug 38 Liter/Minute. Die Bestrahlung wurde für 2,5 Sekunden durchgeführt, Der Abstand zwischen der Elektrode und dem Abdomen betrug maximal etwa 24 mm und war minimal 18 mm. Dies wurde für etwa 3 Minuten stehen gelassen und dann wurde die Stelle mit der Auftragung von Evans-Blau vollständig mit einer mit Wasser angefeuchteten Saugbaumwolle abgewischt und dann mit einer Saugbaumwolle, die mit 70 Ethanol angefeuchtet war. Dann wurde die Haut hinsichtlich einer Farbstoffablagerung überprüft. So behandelt wurde die Maus mit einer anderen verglichen, die nur einer Plasmabestrahlung unterworfen wurde, sowie mit einer weiteren Maus, die mit Evans-Blau behandelt wurde, wobei aber keine Plasmabestrahlung durchgeführt wurde.
  • Im Ergebnis wurde keine Farbstoffablagerung bei den beiden Mäusen gefunden, die nur einer Plasmabestrahlung unterworfen wurden bzw. die nur mit Evans-Blau beschichtet waren, aber keiner Plasmabestrahlung unterworfen wurde. Im Gegensatz dazu hatte die Maus, die mit Evans-Blau beschichtet war und die einer Plasmabestrahlung unterworfen wurde, einige blaue Flecken in der Plasma bestrahlten Region des Abdomens. Selbst nach 24 Stunden waren die Flecken noch zu sehen. Es wird somit angenommen, dass Substanzen, deren Molekulargewicht auf dem Niveau von Evans-Blau liegt, in Tiere mittels Plasmabestrahlung übertragen werden können.
  • Bisher wurde ein Bereicht angekündigt, der besagt, dass ein Farbstoff perkutan in einzelne Tiere mittels Bestrahlung mit kalten Ultraschallwellen übertragen werden kann (Katsuro Tachibana; the Medical Department of Fukuoka University/the Society of Molecular Biology of Japan, 2001). Die vorliegende Erfindung lässt vermuten, dass eine Substanzübertragung in Tiere auch durch Plasmabestrahlung möglich ist.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine hocheffiziente Übertragung einer Reihe von ausgewählten Molekülen in verschiedene Zellen. Die Erfindung ermöglicht auch eine Zellfusion. Ferner erfordert die Erfindung keinen komplizierten Betrieb hinsichtlich der Anwendung eines elektrischen Feldes auf Proben unter Verwendung von Elektroden wie bei der Elektroporation, und erfordert keine umfangreichen Geräte wie bei den Genkanonen.

Claims (6)

  1. In vitro Verfahren zum Übertragen eines ausgewählten Moleküls in eine Zelle, das die Behandlung einer Zelle und/oder eines ausgewählten Moleküls mit einem kalten Gasplasma umfasst, um dadurch das ausgewählte Molekül, das um die Zelle angeordnet ist, in die Zelle zu übertragen.
  2. Verfahren zum Übertragen eines ausgewählten Moleküls nach Anspruch 1, wobei das ausgewählte Molekül zunächst um die Zelle angeordnet wird und die Zelle dann mit dem kalten Gasplasma behandelt wird.
  3. Verfahren zum Übertragen eines ausgewählten Moleküls nach Anspruch 1 oder 2, wobei das ausgewählte Molekül ein Polynucleotid ist.
  4. In vitro Verfahren zur Fusion von Zellen, das die Behandlung von Zellen mit kaltem Gasplasma umfasst.
  5. Verfahren zum Übertragen eines ausgewählten Moleküls nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zelle eine tierische Zelle ist.
  6. Verfahren zum Übertragen eines ausgewählten Moleküls nach Anspruch 3, wobei die Zelle eine tierische Zelle ist.
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