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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reinigung von in prokaryotischen
Zellen exprimierten Proteinen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
DNA-Rekombinationstechnik macht die Herstellung großer Mengen
gewünschter
Proteine möglich.
Bakterien stellen eine besonders günstige Quelle für die Herstellung
rekombinanter Proteine für
Reinigungszwecke dar. Sie können
in sehr großen
Mengen unter gut definierten Bedingungen gezüchtet werden, und sie lassen
sich für
die Extraktion relativ leicht aufbrechen. Vor allem werden durch
molekulare Klonierungstechniken hohe Expressionsniveaus in Bakterien
von fast jedem Protein aus irgendeinem bakteriellen oder anderen
Organismus ermöglicht.
Leider lassen sich in Bakterien exprimierte Proteine aufgrund ihrer
Neigung zum Ausfällen
innerhalb der Zelle oft schwer reinigen. Das ausgefällte Protein
bildet Einschlußkörper: dichte, granuläre Strukturen,
die in dem gesamten Cytoplasma verteilt sind. Die Einschlußkörperbildung
ist besonders bei nicht-bakteriellen Proteinen üblich, obwohl selbst native
bakterielle Proteine eine Aggregationsneigung zeigen, wenn sie bei
sehr hohen Niveaus exprimiert werden. Es ist nicht genau bekannt,
wie sie gebildet werden, aber es wird angenommen, daß das Protein
partiell oder inkorrekt gefaltet ist. Der Hauptnachteil von Einschlußkörpern ist,
daß die
Extraktion des Proteins, das von Interesse ist, im allgemeinen die
Verwendung von Denaturierungsmitteln erfordert. Dies kann Probleme
verursachen, wenn ein natives gefaltetes Protein erforderlich ist,
da die Rückfaltungsverfahren
nicht immer eine 100%ige Wirksamkeit aufweisen und Maßstabsvergrößerungen
schwierig sein können.
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Der
Vorteil von Einschlußkörpern ist,
daß sie
im allgemeinen höhere
Expressionsniveaus ermöglichen, und
sie können
durch Zentrifugieren leicht von einem großen Anteil bakterieller cytoplasmatischer
Proteine getrennt werden, wodurch ein wirkungsvoller Reinigungsschritt
erhalten wird.
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Für die bakterielle
E. coli-Lyse stehen Techniken wie mechanische Lyse, Sonifikation,
enzymatische Lyse und Detergenslyse zur Verfügung. Jedoch erfordern diese
Techniken entweder eine. spezielle Ausrüstung oder weisen gewisse Einschränkungen
auf. Vor allem können
diese Verfahren weder lösliche
rekombinante Proteine vollständig
gewinnen noch Einschlußkörper gewinnen.
Daher kann die Ausbeute von rekombinanten Proteinen sehr niedrig
sein. Es ist nötig,
alternative Verfahren zu erforschen, um die Proteinausbeute durch
Gewinnen sowohl der löslichen
als auch der unlöslichen
Fraktion des rekombinanten Proteins zu verbessern.
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Musacchino
et al. (1996, Vaccine 15:751–758)
beschreiben ein Verfahren zum Gewinnen des Opc-Proteins, welches
in E. coli als Einschlußkörper exprimiert
wird, wobei das rekombinante Protein solubilisiert und auf einer
Umkehrphasensäule
gereinigt wird. Das eluierte Protein wird schließlich rückgefaltet.
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WO
98/14467 offenbart ein Verfahren zur Reinigung von Chemokinproteinen
aus Einschlußkörpern, wobei
das Protein unter Verwendung der Umkehrphasenchromatographie nach
der Renaturierung gereinigt wird.
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Beschreibung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Umkehrphasenchromatographie-Schritt (RPC-Schritt) zwischen
den Extraktions-/Denaturierungsschritt und den anschließenden Rückfaltungsschritt
eingeschoben, was eine erhöhte
Chemokinausbeute und andere Vorteile, die aus der folgenden Beschreibung
ersichtlich werden, zur Folge hat. Es wird angenommen, daß durch
Entfernen der meisten Zellverunreinigungen in dem RPC-Schritt das
Erhalten einer höheren
Ausbeute in dem anschließenden
Rückfaltungsschritt
gefördert
wird, obwohl die Erfindung unabhängig
von dieser Hypothese betrachtet werden sollte. Verbindungen haften
an den Umkehrphasen-HPLC-Säulen
in der hohen wässerigen
mobilen Phase und werden aus den RP-HPLC-Säulen mit der hohen organischen
mobilen Phase eluiert. Bei der RP-HPLC werden Verbindungen, basierend
auf ihrer hydrophoben Eigenschaft, getrennt. Da die Säulen rohrförmig sind,
haben die Säulendimensionen
gewöhnlich folgendes
Format, Innendurchmesser x Länge
(beispielsweise 4,6 mm × 250
mm).
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Die
stationäre
Phase besteht gewöhnlich
aus hydrophoben Alkylketten (-CH2-CH2-CH2-CH3),
die mit dem Analyt interagieren.
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Tatsächlich sind
Medien für
RPC typischerweise mit hydrophoben Liganden hochsubstituiert, und
die Bindung von Substanzen an RPC-Medien ist gewöhnlich sehr stark und erfordert
organische Lösungsmittel
zur Eluierung.
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SOURCETM (Amersham) RPC können im gesamten pH-Bereich
verwendet werden. SOURCETM RPC sind für schnelle,
hochleistungsfähige
präparative
Trennungen von Bio-Molekülen, wie
Proteinen, Peptiden und Oligonukleotiden, konzipiert. Die Medien
weisen Matrizen auf, die auf starrem Polystyrol/Divinylbenzol mit einheitlich
großen
Kügelchen
mit einem Durchmesser von 15 μm
bzw. 30 μm
basieren.
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Die
Porengrößenverteilung
ist geregelt und reproduzierbar. Aufgrund der breiten pH-Stabilität und hohen
Kapazität
sind die SOURCETM RPC-Medien eine interessante
Alternative zu auf Siliciumdioxid basierenden Medien. Die hohe chemische
Stabilität
der Matrix sorgt für
eine unübertroffene
Flexibilität
bei der Auswahl der Lauf- und Reinigungsbedingungen.
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Die
Umkehrphasenlösungsmittel
werden traditionell an den HPLC-Kanälen A und B installiert. Das A-Lösungsmittel
ist traditionell das wässerige
Lösungsmittel
(Wasser), und das B-Lösungsmittel
ist traditionell das organische Lösungsmittel (Acetonitril, Methanol,
Propanol). Es ist wichtig, sich an diese Tradition zu halten, da
die Bezeichnungen A und B üblicherweise
verwendet werden, um sich auf das wässerige und das organische
Lösungsmittel
zu beziehen. Das A-Lösungsmittel
ist im allgemeinen Wasser mit HPLC-Reinheit mit 0,1% Säure. Das
B-Lösungsmittel
ist im allgemeinen ein organisches Lösungsmittel mit HPLC-Reinheit
wie Acetonitril oder Methanol mit 0,1% Säure. Die Säure wird zum Verbessern der
chromatographischen Peakform und zum Bereitstellen einer Protonenquelle
in einer Umkehrphasen-Flüssigchromatographie/Massenspektroskopie
(Umkehrphasen-LC/MS) verwendet. Die am häufigsten verwendeten Säuren sind
Ameisensäure,
Trifluoressigsäure
und Essigsäure.
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Wie
bereits erwähnt,
stellt das erfindungsgemäße Verfahren
eine Verbesserung dieses Verfahrens dar, die darin besteht, daß ein Umkehrphasenchromatographie-Schritt
(RPC-Schritt) zwischen den Extraktions-/Denaturierungsschritt und
den anschließenden
Rückfaltungsschritt eingeschoben
wird. Jedoch werden alle Schritte, die normalerweise in einem klassischen
Verfahren zur Reinigung eines in prokaryotischen Wirtszellen rekombinant
hergestellten Chemokins unten nur der Vollständigkeit halber angegeben.
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Normalerweise
schließt
ein klassisches Verfahren zur Reinigung eines in prokaryotischen
Wirtszellen hergestellten Proteins auch die folgenden Schritte ein:
- – Herstellung
von Zelllysaten aus den Wirtszellen
- – Isolierung
von Einschlußkörpern
- – Solubilisierung
der aggregierten Chemokinproteine in den Einschlußköpern/Dena
turationsschritt
- – Rückfaltung/Renaturierung
der solubilisierten Proteine.
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Herstellung
von Zelllysaten aus den Wirtszellen
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Das
in den prokaryotischen Zellen exprimierte Chemokin muß zuerst
aus den Wirtszellen, in denen es exprimiert worden ist, extrahiert
werden. Es steht eine Veilzahl an Verfahren zur Lyse von Zellen
zur Verfügung. Welches
dieser Verfahren im speziellen Fall verwendet werden sollte, hängt von
dem Typ der Wirtszellen und der Menge der aufzulösenden Zellen ab.
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Die
zunächst
zu treffende Wahl betrifft die Art und den pH des Puffersystems,
das verwendet werden soll. Dies hängt ab von:
- – der Stabilität des Zielproteins
in bezug auf den pH und die Pufferverbindung,
- – dem
Reinigungsverfahren.
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Um
einen Zeit- und Proteinverlust aufgrund eines zusätzlichen
Pufferaustauschschritts zu vermeiden, ist es ratsam, einen Puffer
auszuwählen,
der mit dem ersten Chromatographieschritt (siehe Chromatographie) kompatibel
ist. Die Puffer und ihre pH-Bereiche sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die
am häufigsten
verwendeten Puffer sind Phosphate, Tris-HCl und HEPES-NaOH. Sie
werden normalerweise bei Konzentrationen von 20 bis 50 mM verwendet. Tabelle
1
Puffer | pH-Bereich |
Zitronensäure – NaOH | 2,2– 6,5 |
Natriumcitrat – Zitronensäure | 3,0–6,2 |
Natriumacetat – Essigsäure | 3,6–5,6 |
Kakodylsäurenatriumsalz – HCl | 5,0–7,4 |
MES – NaOH | 5,6–6,8 |
Natriumdihydrogenphophat – Dinatriumhydrogenphosphat | 5,8–8,0 |
Imidazol – HCl | 6,2–7,8 |
MOPS – KOH | 6,6–7,8 |
Triethanolaminhydrochlorid – NaOH | 6,8–8,8 |
Tris – HCl | 7,0–9,0 |
HEPES – NaOH | 7,2–8,2 |
Tricin – NaOH | 7,6–8,6 |
Natriumtetraborat – Borsäure | 7,6–9,2 |
Bicin – NaHO | 7,7–8,9 |
Glycin – NaHO | 8,6–10,6 |
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In
Abhängigkeit
von dem Zielchemokinprotein kann es nötig sein, Verbindungen zu dem
Lysepuffer zuzugeben, um die Stabilität des Zielproteins zu verbessern
und das Protein in Lösung
zu halten. Die am häufigsten
verwendeten Zusatzstoffe, ihre wirksamen Konzentrationen und ihr
allgemeiner Zweck sind in Tabelle 2 aufgeführt.
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Eine
wichtige Zusatzstoffklasse sind die Proteaseinhibitoren. Im allgemeinen
führt eine
Zellzerstörung zur
Freisetzung proteolytischer Enzyme, was zu einer verringerten Gesamtausbeute
führen
könnte.
Um diese unerwünschte
Proteolyse zu steuern, kann das Zugeben einer Reagenzienmischung
aus Proteaseinhibitoren zu der Zellsuspension notwendig sein. Da
viele dieser Verbindungen in wässerigen
Lösungen
nicht sehr stabil sind, ist es wichtig, daß sie unmittelbar vor ihrer
Verwendung zu dem Lysepuffer aus einer Stammlösung in einem organischen Lösungsmittel
(Methanol, Ethanol, Isopropanol oder DMSO) zugegeben werden. Obwohl die
Gabe eines allgemeinen Lysepuffers nicht möglich ist, wäre ein guter
Startpuffer:
50 mM Tris-HCl pH 7,5
100 mM NaCl
1
mM DTT (Dithiothreitol)
5% Glycerol (möglicherweise).
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Die
meisten Lyseverfahren verursachen die Freisetzung von Nucleinsäuren (DNA
und RNA). Diese müssen
aufgrund ihrer möglichen
Verursachung von Viskositätsproblemen
oder ihrer Beeinflussung der anschließenden Chromatographieschritte
entfernt werden. Es gibt verschiedene Verfahren:
- – Enzymatischer
Abbau durch Zugabe von DNase I (1 μg/ml) zu dem Zelllysat. Das
Gemisch wird 10 bis 15 min auf Eis inkubiert.
- – Mechanischer
Abbau durch Scherung unter Sonifikation. Bei Verwendung der French-Presse ist es ratsam,
DNase zu der Zellsuspension zuzugeben.
- – Ausfällen durch
Behandlung mit Polyethylenimin (0,1% (Gewicht/Volumen (G/V))) oder
Protaminsulfat (1% (G/V)), gefolgt von Zentrifugieren. Zugabe der
Fällungsmittel
zu dem Zelllysat und Inkubieren der Lösung für 30 min bei 4 °C.
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Für die Herstellung
von Zelllysaten aus E. coli-Zellen werden verschiedene Verfahren
verwendet.
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Sonifikation
ist die gebräuchlichste
Technik zum Lysieren kleiner Zellmengen (1 bis 6 L der Zellkultur). Die
Zellen werden durch Flüssigkeitsscherung
und Kavitation lysiert. DNA wird auch während der Sonifikation geschert,
was eine Zugabe von DNase zu der Zellsuspension unnötig macht.
Das Hauptproblem ist die Temperaturregelung. Diesem Problem wird
durch Halten der Suspension auf Eis und Verwenden mehrerer kurzer Impulse
(5–10
s) mit Pausen (10–30
s) entgegengewirkt, wodurch eine niedrige Temperatur aufrechterhalten wird.
Für Zellmengen
größer als
50 g ist der Wert des Verfahrens aufgrund der Schwierigkeit, niedrige
Temperaturen aufrechtzuerhalten und aufgrund der langen Sonifikationszeiten,
die zum Erreichen einer ausreichenden Lyse erforderlich sind, begrenzt.
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Homogenisatoren
sind die gebräuchlichsten
Geräte
zum Lysieren von Bakterien. Die Pressen Lysieren Zellen, indem sie
die Zellsuspension unter Druck setzen und den Druck plötzlich aufheben.
Dadurch wird eine Flüssigkeitsscherung
erzeugt, die in der Lage ist, Zellen zu lysieren. Typische Arbeitsdrücke für den älteren Homogenisatortyp,
die French-Presse und den Manton-Gaulin-Homogenisator sind 6000
bis 10.000 psi. Mehrfache (2 – 3)
Durchgänge
sind im allgemeinen zum Erreichen einer ausreichenden Lyse erforderlich.
Die hohen Arbeitsdrücke
haben jedoch eine Erhöhung
der Arbeitstemperaturen zur Folge.
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Daher
werden Druckzellen vor der Verwendung abgekühlt (4 °C). Zusätzlich zu der Temperaturregelung
sollte darauf geachtet werden, daß eine Proteininaktivierung
durch Schäumung
vermieden wird.
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Moderne
Homogenisatoren arbeiten oft kontinuierlich und können bei
höheren
Drücken
betrieben werden. In den Europäischen
Molekularbiologischen Laboratorien (EMBL) findet sich eine Avestin
Emulsiflex-C5, die effizient E. coli-Zellen in einer Passage bei
15.000 psi (100 MPa) lysiert.
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Die
enzymatische Lyse basiert auf dem Abbau der Peptidoglykanschicht
der Bakterienzellwand durch Lysozym. Gramnegative Bakterien besitzen
jedoch eine äußere Membran,
die außen
an der Zellwand liegt und permeabilisiert werden muß, damit
die Peptidoglykanschicht freigelegt werden kann. Tris, das häufig als
Puffer in Lyseverfahren verwendet wird, permeabilisiert wirkungsvoll äußere Membranen.
Diese Wirkung kann durch Zugabe von EDTA (1 mM) gesteigert werden.
EDTA chelatisiert die Magnesiumionen, welche Membranen stabilisieren.
Bei der Zelllyse wird oft eine große Menge an DNA freigesetzt,
was die Zugabe von DNase (1 mg/ml) erforderlich macht, um die Viskosität des Präparats zu
reduzieren. Die enzymatische Zelllyse kann in jedem Maßstab durchgeführt werden,
aber für
Herstellungen in großem
Maßstab
können
Lysozym und DNase teuer werden. Zum Erhöhen des Grads der Zelllyse
kann die Lösung
einer Sonifikation unterzogen werden (siehe oben).
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Ein
alternatives Lyseverfahren ist das Gefrieren der Zellen direkt in
flüssigem
Stickstoff und Zermahlen der gefrorenen Zellen zu Pulver unter Verwendung
von mit flüssigem
Stickstoff gekühlten
Mörser
und Stößel. Das
Pulver kann bei –80 °C unbegrenzt
gelagert werden, und das Zelllysat kann durch Zugabe des Pulvers
zu 5 Volumen Puffer hergestellt werden.
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Das
Ausmaß der
Solubilisierung und die Stabilität
des solubilisierten Proteins hängen
von dem Detergenstyp und der Detergenskonzentration ab. Für keine
dieser Variablen ist es möglich,
allgemeine Richtlinien zu geben, sondern sie müssen experimentell optimiert
werden. Für
die Solubilisierung ist das Verhältnis
von Detergens zu Protein wichtig. Bei geringen Verhältnissen
(1 : 10) werden die Membranen lysiert, und große Membrankomplexe, die Protein,
Detergens und Membranlipide enthalten, werden gebildet. Bei zunehmend größeren Verhältnissen
werden kleinere Komplexe erhalten. Schließlich werden bei Verhältnissen
von 10 : 1 bis 20 : 1 einzelne, membranlipidfreie Detergens-Protein-Komplexe
gebildet. Zum Bestimmen der optimalen Bedingungen ist es wichtig,
sowohl die Detergens- als auch die Proteinkonzentration zu variieren.
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Häufig verwendete
Detergenzien und ihre kritischen Mizellkonzentrationen (KMK) sind
in Tabelle 3 aufgeführt.
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Isolierung der Einschlußkörper
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In
der Zelle herrscht Konkurrenz zwischen Falten und Aggregationen.
In vielen Fällen
und in einigen Wirtssystemen akkumulieren rekombinante Proteine
intrazellulär
in unlöslichen
Aggregaten. Die Proteine in diesen sogenannten Einschlußkörpern sind
meistens inaktiv und denaturiert. Außerdem können Dimere und Multimere vorliegen.
Jedoch kann die Expression von rekombinanten Proteinen in Einschlußkörpern ebenso Vorteile
bringen:
- – Die
in Einschlußkörpern abgelagerten
rekombinanten Proteine können
50% oder mehr des gesamten Zellproteins ausmachen.
- – Die
Einschlußkörper enthalten
häufig
fast ausschließlich
das überexprimierte
Protein.
- – In
den Einschlußkörpern ist
das Protein vor proteolytischem Abbau geschützt.
- – Die
Expression in den Einschlußkörpern wird
die Zelle gegen die Toxizität
des rekombinanten Proteins schützen.
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Das
Hauptproblem ist das Gewinnen biologisch aktiver und/oder löslicher
Proteine mit hoher Ausbeute. Um dies zu erreichen, muß das Protein
in den Einschlußkörpern in
vitro solubilisiert und rückgefaltet
werden. Dieses Verfahren wird in drei Phasen durchgeführt:
Einschlußkörper weisen
eine relativ hohe Dichte auf und können daher durch Zentrifugieren
pelletisiert werden. Zellen werden gewöhnlich durch Hochdruckhomogenisierung
(gegebenenfalls nach einer Lysozymbehandlung) gespalten. Es ist
wichtig, daß die
Zelllyse vollständig
ist, da intakte Zellen zusammen mit den Einschlußkörpern sedimentieren und somit
das Präparat
verschmutzen. Nach dem Zentrifugieren wird das Pellet mit Puffer,
der entweder niedrige Konzentrationen chaotroper Mittel (z. B. 0,5–1 M Guanidin-HCl
oder Harnstoff) oder Detergenzien (z. B. 1% Triton X-100 oder 1
mg/ml Natriumdeoxycholat) enthält,
gewaschen. Dieser Waschschritt ist notwendig, um Verschmutzungen,
besonders Proteine (Proteasen), die sich während des Verfahrens möglicherweise
an den hydrophoben Einschlußkörper absorbiert
worden sind.
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Solubilisierung der aggregierten
Proteine in den Einschlußkörpern
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Die
gewaschenen Einschlußkörper werden
in Puffer, enthaltend ein starkes Denaturierungsmittel und ein Reduktionsmittel
(gewöhnlich
20 mM DTT oder b-Mercaptoethanol), resuspendiert und inkubiert.
Die Zugabe eines Reduktionsmittels hält alle Cysteine in dem reduzierten
Zustand und spaltet bei der Herstellung gebildete Disulfidbindungen
auf. Inkubationstemperaturen über
30 °C werden
typischerweise zum Erleichtern des Solubilisierungsvorgangs verwendet.
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Optimale
Bedingungen zur Solubilisierung sind Protein-spezifisch und müssen für jedes
Protein bestimmt werden.
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Nach
der Solubilisierung kann die Lösung
zentrifugiert oder filtriert werden, um Restaggregate, die als Nuklei,
die eine Aggregation während
der Rückfaltung
auslösen,
agieren könnten,
zu entfernen.
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Gemäß einer
spezifischen Ausführungsform
der Erfindung, die nachstehend in den Beispielen erläutert wird,
wird dieser Schritt als Schritt 1 des beschriebenen speziellen Vorgangs
bezeichnet.
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Rückfaltung der solubilisierten
Proteine
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Die
Rückfaltung
der solubilisierten Proteine wird durch Entfernen des Denaturierungsmittels
initiiert. Der Rückfaltungsgrad
hängt von
der Konkurrenz zwischen korrektem Falten und Aggregation ab. Zum
Verlangsamen des Aggregationsvorgangs wird gewöhnlich eine Rückfaltung
bei niedrigen Proteinkonzentrationen, in dem Bereich von 10 bis
100 mg/ml, durchgeführt.
Außerdem
müssen
die Rückfaltungsbedingungen
für jedes
einzelne Protein optimiert werden. Wichtige Variablen sind die Pufferzusammensetzung
(pH, Ionenstärke),
die Temperatur und die Zusatzstoffe (oft in Kombination).
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Wenn
die Proteine Disulfidbindungen enthalten, muß der Rückfaltungspuffer durch ein
Redoxsystem ergänzt
werden. Die Zugabe eines Gemischs aus reduzierten und oxidierten
Formen (1–3
mM reduziertes Thiol und ein Verhältnis von reduziertem zu oxidiertem
Thiol von 5 : 1 bis 1 : 1) von Thiolreagens mit niedrigem Molekulargewicht
stellt gewöhnlich
das geeignete Redoxpotential bereit, um Bildung und Umlagerung von
Disulfidbindungen zu ermöglichen.
Die am häufigsten
verwendete Redoxumlagerungsreaganzien sind reduziertes und oxidiertes
Glutathion, aber auch Cystein und Cysteamin werden verwendet.
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Für bestimmte
Proteine ist dieses Verfahren, wahrscheinlich wegen der geringen
Löslichkeit
von Faltungsintermediaten, nicht sehr effektiv. Alternativ wird
das Protein in Gegenwart eines großen Überschusses an oxidiertem Glutathion
vollständig
oxidiert, gefolgt von Verdünnen
in einem Rückfaltungspuffer,
welcher katalytische Mengen an reduziertem Glutathion enthält.
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Es
sind verschiedene Verfahren zur Rückfaltung von Proteinen beschrieben
worden. Das am häufigsten
verwendete Verfahren ist das Entfernen des Lösungsvermittlers durch Dialyse.
Während
der Dialyse verringert sich die Konzentration des Lösungsvermittlers
langsam, wodurch sich das Protein optimal rückfalten kann. Das Verhältnis der
Volumen der Probe zu dem Dialysepuffer sollte so sein, daß sich das
Protein bei der Gleichgewichtskonzentraion des Lösungsvermittlers vollständig rückgefaltet
hat.
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Die
Konzentration des Lösungsvermittlers
wird durch Verdünnen
verringert, wodurch sich das Protein rückfalten kann. Gewöhnlicherweise
wird das Verdünnen
langsam durch schrittweises Zugeben von Puffer oder durch kontinuierliches
Zugeben mittels einer Pumpe durchgeführt.
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Während der
Dialyse und dem langsamen Verdünnen
wird das Protein über
einen längeren
Zeitraum einer intermediären
Konzentration des Lösungsvermittlers
(2–4 M
Harnstoff oder Guanidin-HCl) ausgesetzt, wobei es noch nicht rückgefaltet,
aber nicht mehr denaturiert ist und somit äußerst aggregationsanfällig ist. Dies
könnte
durch das rasche Verdünnen
der solubilisierten Proteinlösung
in den Rückfaltungspuffer
verhindert werden. Die Aggregation bei diesem Verfahren kann durch
Zugeben milder Lösungsvermittler
wie nicht-oberflächenaktiver
Sulfobetaine zu dem Rückfaltungspuffer
beschränkt
werden.
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Zum
Niedrighalten der Konzentration des ungefalteten Proteins und folglich
zum Begrenzen der Aggregation werden Aliquote von denaturiertem
Protein zu bestimmten Zeitpunkten zu dem Rückfaltungspuffer gegeben. Die
Zeitintervalle zwischen zwei Impulsen müssen für jedes einzelne Protein optimiert
werden. Das Verfahren wird beendet, wenn die Denaturierungsmittelkonzentration
ein kritisches Niveau in bezug auf die Rückfaltung des speziellen Proteins
erreicht.
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Gemäß der erfindungsgemäßen speziellen
Ausführungsform,
die nachstehend in den Beispielen erläutert wird, wird dieser Schritt
als Schritt 3 des beschriebenen speziellen Verfahrens bezeichnet.
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Der
Lösungsvermittler
wird mittels eines Chromatographie-Schritts entfernt. Die Anwendung
verschiedener Chromatographieverfahren ist beschrieben worden:
- – Größenausschlußchromatographie
(z. B. Gelfiltration auf einer Superdex 75-Säule)
- – Ionenaustauschchromatographie
- – Affinitätschromatographie
(z. B. IMAC unter Verwendung von Chelating Sepharose oder Ni-NTA-Agarose)
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Das
Denaturierungsmittel wird entfernt, während das Protein langsam durch
die Säule
migriert oder an die Matrix gebunden wird. Dadurch wird gewöhnlich eine
hohe Ausbeute an aktiven Proteinen erhalten, selbst bei Proteinkonzentrationen
im mg/ml-Bereich.
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Beispiele
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Die
Erfindung wird nun in bezug auf die Reinigung eines in E. Coli exprimierten
Chemokins ausführlich beschrieben.
Chemokine bilden eine Familie kleiner entzündungsfördernder Cy tokine mit Leukozyt-chemotaktischen
und -aktivierenden Eigenschaften. In Abhängigkeit von der Position der
ersten konservierten Cysteine kann die Chemokinfamilie in C-C-,
C-X-C- und C-X3-C-Chemokine unterteilt werden (Baggiolini
M. et al., Adv Immunol. 1994, 55:97–179; Baggiolini M. et al.,
Annu Rev Immunol. 1997, 15:675–705;
Taub D. et al., Cytokine Growth Factor Rev. 1996, 7(4):355–76).
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung berichtet insbesondere über die Reinigung einer Tripelmutante
des menschlichen RANTES. Dieses Protein in seiner gereiften Form
(d. h. nach dem Spalten der Leader-Sequenz MKKKWPR) hat die Sequenz
von SEQ ID Nr.: 1 und wird im weiteren Teil der Beschreibung als
RANTES-Tripelmutante bezeichnet. Das gesamte Verfahren wird mit
dem in 1 dargestellten Fließdiagramm zusammengefaßt, beginnend
mit dem Schritt der „Solubilisierung
der aggregierten Proteine in den Einschlußkörpern". Die zwei vorhergehenden klassischen
Schritte der Herstellung von Zelllysaten und die Isolierung von Einschlußkörpern, werden
unter Verwendung der in der Technik bekannten Verfahren und/oder
wie zuvor beschrieben durchgeführt.
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Schritt 1 – Solubilisierung
der aggregierten Proteine in den Einschlußkörpern
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60
bis 90 g Einschlußkörper, enthaltend
RANTES-Tripelmutante, werden aufgetaut. Das Pellet wird mittels
des Homogenisators Polytron mit 450 bis 800 ml Solubilisierungspuffer
(6 M Guanidiniumchlorid, 0,1 M Tris/HCl, 2 mM DTT, pH 7,5 +/– 0,1) aufgelöst, bis
keine großen
Teilchen mehr sichtbar sind (etwa 5 Minuten). Wenn die Lösung homogenisiert
ist, wird sie für
30' auf eine Temperatur
von 60 ± 1 °C gebracht.
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Danach
kann die Lösung
Raumtemperatur erreichen und wird mit einer 1,2-μm-Membran filtriert.
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Das
Material wird gewöhnlich
direkt nach seiner Herstellung verarbeitet. Alternativ kann es bei –80 °C gelagert
werden.
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Schritt 2 – Umkehrphasenchromatographie
auf Source 30 RPC
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Puffer
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Prääquilibrierungspuffer: 0,1 M
TRIS/HCl pH 7,5 ± 0,1,
5% (V/V) Acetonitril
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12,1
g Tris/Hydroxymethylaminomethan werden zu 800 bis 900 ml gereinigtem
Wasser gegeben. Der pH wird mit HCl auf 7,5 eingestellt. 50 ml Acetonitril
werden zugegeben, und die Lösung
wird mit gereinigtem Wasser auf einen Liter aufgefüllt.
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Äquilibrierungspuffer: 0,1 M
TRIS/HCl pH 7,5 ± 0,1,
6 M Guanidin und 2 mM DTT, 5% (V/V) Acetonitril
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6
M Guanidin und 2 mM DTT werden unter Rühren zu 600 ml Prääquilibrierungspuffer
gegeben. Nach Beendigung des Auflösens wird die Lösung mit
Prääquilibrierungspuffer
auf 1 Liter aufgefüllt.
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Waschpuffer: 5% (V/V)
Acetonitril, 0,1% TFA in Wasser
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50
ml Acetonitril und eine Phiole TFA werden zu 900 ml gereinigtem
Wasser zugegeben, und die Lösung
wird mit gereinigtem Wasser auf 1 Liter aufgefüllt.
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Elutionspuffer: 35% (V/V)
Acetonitril, 0,1% TFA in Wasser
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350
ml Acetonitril und eine Phiole TFA werden zu 500 bis 600 ml gereinigtem
Wasser zugegeben, und die Lösung
wird mit gereinigtem Wasser auf 1 Liter aufgefüllt.
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Regenerierung-spuffer:
NaOH 0,5 M, 60% n-Propanol
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20
g NaOH werden zu 600 ml n-Propanol zugegeben, und die Lösung wird
mit gereinigtem Wasser auf 1 Liter aufgefüllt.
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Lagerungspuffer: NaOH
10 mM
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0,4
g NaOH werden zu 1000 ml gereinigtem Wasser gegeben.
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Verfahren
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Eine
mit Source 30 RPC-Harz beschickte Säule wird mit mindestens 1 BV
NaOH 0,5 M und anschließend
mit gereinigtem Wasser gespült,
bis der pH neutrale Werte erreicht. Danach wird die Säule mit
3 BV Prääquilibrierungspuffer äquilibriert,
gefolgt von 2 bis 3 BV Äquili brierungspuffer.
Der pH wird überprüft, und
die Waschung wird fortgesetzt, wenn die Parameter des Säulenabflusses
außerhalb
der Zielwerte liegen: pH 7,5 ± 0,1.
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Das
gemäß obiger
Beschreibung hergestellte solubilisierte Material wird dann auf
das Harz im Bereich von 5 bis 18 mg RANTES-Tripelmutante/ml Harz
gegeben. Nach Beendigung des Beschickens der Probe wird die Säule mit
3 bis 4 BV Äquilibrierungspuffer
0,1 M Tris/HCl + 5% Acetonitril, pH 7,5 ± 0,1 gespült. Der Durchfluß und die
Waschung werden gemeinsam gesammelt.
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Darauf
folgt das Spülen
der Säule
mit dem Waschpuffer: 5% Acetonitril + 0,1% TFA in Wasser, bis der pH
des Säulenabflusses
sauer ist (Kontrolle mit dem pH-Indikator).
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Die
Elution wird mit dem Elutionsspuffer gestartet: 35% Acetonitril
+ 0,1% TFA in Wasser. Die Fraktionen werden, sobald das OD-Signal
zu steigen beginnt, gesammelt. Etwa 3 bis 4 BV werden als Elutionsfraktion
gesammelt.
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Der
Proteingehalt der Fraktion wird mit der OD-280-nm-Analyse (ε = 2,1) berechnet.
Die Fraktion wird bei +5 ± 3 °C bis zum
nächsten
Schritt der Rückfaltung
gelagert.
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Nach
Beendigung der Elution wird die Säule mit mindestens 4 BV Regenerierungspuffer
gespült,
gefolgt von 3 BV gereinigtem Wasser.
-
Die
Säule wird
mit mindestens 3 BV NaOH 0,5 M gespült, und dann wird die Säule mit
gereinigtem Wasser gespült.
-
Anschließend wird
die Säule
mit mindestens 3 BV Lagerungspuffer gespült und bei Raumtemperatur bis
zum nächsten
Zyklus gelagert.
-
Der
hier beschriebene Schritt erweist sich bei der Entfernung von Zellverunreinigungen
als sehr wirkungsvoll und liefert eine Lösung, die eine halbgereinigte
RANTES-Tripelmutante, welche ohne weiteres dem Rückfaltungs-Schritt unterzogen
werden kann, enthält.
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Schritt 3 – Rückfaltung
-
In
diesem Schritt wird die ungefaltete, aus der RPC-Säule eluierte
RANTES-Tripelmutante mittels Verdünnung in einem geeigneten Puffer
und Verwendung eines Redoxsystems rückgefaltet.
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Rückfaltungspuffer: 0,1 M Tris/HCl
pH 7,5 0,2 mM Glutathion reduzierte Form, 0,02 mM Glutathion oxidierte Form;
Leitfähigkeit
6,0 ± 1
mSi/cm
-
12,1
g Tris, 61,5 mg Glutathion, reduziert, und 12,2 mg Glutathion, oxidiert,
werden unter Rühren
zu 900 ml gereinigtem Wasser gegeben. Der pH wird mit konzentriertem
HCl auf 7,5 ± 0,1
gebracht, gefolgt von Auffüllen
auf 1 Liter. Die Lösung
wird dann nicht länger
als zwei Tage bei Kühltemperatur
von +5 °C ± 3 °C gelagert.
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Verfahren
-
Dieser
Schritt wird bei Kühltemperatur
(+5 °C ± 3 °C) durchgeführt. Die
RPC-Elutionsfraktion wird verdünnt,
indem sie über
Nacht tröpfchenweise
unter leichtem Rühren
in ein geeignetes Volumen des Rückfaltungspuffers
gegeben wird, wodurch eine theoretische Endkonzentration (berechnet
mittels OD) von 0,2 bis 0,4 mg/ml erreicht wird.
-
Der
zuvor beschriebene Schritt 2 erweist sich bei der Entfernung von
Zellverunreinigungen als sehr wirkungsvoll und liefert eine Lösung, die
eine halbgereinigte RANTES-Tripelmutante,
welche ohne weiteres dem Rückfaltungs-Schritt
unterzogen werden kann, enthält.
-
Schritt 4 – IEC auf
SP Sepharose FF
-
Puffer und Lösungen
-
Äquilibrierungspuffer: 0,1 M
Tris/HCl pH 7,5 ± 0,1,
Leitfähigkeit
6,0 ± 1
mS/cm
-
12,1
g Tris werden unter Rühren
zu 900 ml gereinigtem Wasser gegeben. Der pH wird mit 37%igem HCl
auf 7,5 ± 0,1
gebracht, und die Lösung
wird auf 1 Liter aufgefüllt.
Die Leitfähigkeit
wird überprüft. Diese Lösung wird
nicht länger
als zwei Tage bei Raumtemperatur gelagert.
-
Elutionspuffer: 0,1 M
Tris/HCl pH 7,5 ± 0,1,
0,6 M NaCl, Leitfähigkeit
57,0 ± 2,0
mS/cm
-
12,1
g Tris und 35 g NaCl werden unter Rühren zu 900 ml gereinigtem
Wasser gegeben. Der pH wird mit konzentriertem HCl auf 7,5 ± 0,1 gebracht,
und die Lösung
wird auf 1 Liter aufgefüllt.
Die Leitfähigkeit
wird überprüft. Diese
Lösung
wird bei Raumtemperatur von +20 °C ± 5 °C gelagert
und innerhalb von zwei Tagen verwendet.
-
Regenerierungspuffer:
1,5 M NaCl
-
87,6
g NaCl werden unter Rühren
in 900 ml gereinigtem Wasser aufgelöst, und die Lösung wird
auf 1 Liter aufgefüllt.
Diese Lösung
wird bei Raumtemperatur von +20 °C ± 5 °C gelagert
und innerhalb von zwei Tagen verwendet.
-
Sterilisierungslösung: 0,5
M NaOH
-
20
g NaOH werden unter Rühren
in 900 ml gereinigtem Wasser aufgelöst, und die Lösung wird
auf 1 Liter aufgefüllt.
-
Lagerungslösung: 0,01
M NaOH
-
0,4
g NaOH werden unter Rühren
in 900 ml gereinigtem Wasser aufgelöst, und die Lösung wird
auf 1 Liter aufgefüllt.
Diese Lösung
wird bei Raumtemperatur von +20 °C ± 5 °C gelagert
und innerhalb von zwei Tagen verwendet.
-
Verfahren
-
Die
mit SP Sepharose F-Harz beschickte Säule wird mit 3 BV NaOH 0,5
M und anschließend
mit gereinigtem Wasser gespült,
bis der pH auf neutrale Werte (pH-Indikatorpapier) sinkt. Danach
wird die Säule
erneut mit 5 oder mehr BV Äquilibrierungspuffer
gespült.
pH und Leitfähigkeit
werden überprüft, und
die Waschung wird fortgesetzt, wenn die Parameter des Säulenabflusses
außerhalb
der Zielwerte liegen: pH 7,5 ± 0,1,
Leitfähigkeit
6 ± 1
mS/cm.
-
Dann
wird das gefilterte Post-Rückfaltungsmaterial
aufgebracht, und die ungebundene Fraktion wird gesammelt.
-
Nach
Beendigung des Beschickens der Probe wird die Säule mit 1 bis 2 BV Äquilibrierungspuffer
gespült,
und das Sammeln wird fortgesetzt. An diesem Punkt ist das UV-Signal
gewöhnlich
auf der Grundlinie.
-
Darauf
folgt das Spülen
der Säule
mit dem Elutionspuffer. Mit dem Sammeln der Elutionsfraktion wird begonnen,
wenn das UV-Signal zu steigen beginnt, gewöhnlich nach den ersten 0,8
BV. 3 BV Eluat werden gesammelt, und diese Fraktion wird bei 2 bis
8 °C bis
zum nächsten
Schritt der Spaltung gelagert.
-
Nach
Beendigung der Elution wird die Säule mit mindestens 4 BV Regenerierungspuffer
gespült.
-
Die
Säule wird
mit mindestens 3 BV NaOH 0,5 M und dann mit 3 BV gereinigtem Wasser
gespült.
Die Säule
wird mit mindestens 3 BV Lagerungslösung gespült und bis zum nächsten Zyklus
gelagert.
-
Schritt 5 – Spaltung
-
Der
Spaltungsschritt wird zum Entfernen der -RANTES-Tripelmutanten-Leader-Sequenz
(MKKKWPR) aus der korrekten Sequenz verwendet.
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Verfahren
-
Die
Spaltung wird bei einer Temperatur von 37 ± 1 °C in einem Thermostatofen durchgeführt.
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Die
hinzuzugebende Trypsinmenge wird mit einem Verhältnis von 1 : 10000 in bezug
auf den durch RP-HPLC-Analyse berechneten Gehalt an RANTES-Tripelmutante
berechnetet.
-
Das
Trypsin wird zugegeben, sobald das zu spaltende Material die Zieltemperatur
erreicht hat.
-
Auf
den Spaltungsvorgang folgt die RP-HPLC-Analyse, die den ungespaltenen
Peak von dem gespaltenen Peak trennen kann. Gewöhnlicherweise ist die Spaltung
nach etwa 3 Stunden beendet. Gleich nach Beendigung der Spaltung
wird der pH der Lösung
mit konzentrierter Phosphorsäure
auf 3,2 gebracht, um die Reaktion zu beenden.
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Schritt 6 – IEC auf
SP Sepharose HP
-
Puffer und Lösungen
-
Puffer A – Äquilibrierung-:
50 mM Ammoniumacetat pH 3,2 ± 0,2
Leitfähigkeit
0,4 ± 0,1
mSi/cm
-
2,8
ml Essigsäure
werden unter Rühren
zu 900 ml Wasser gegeben. Der pH wird mit 25%igem Ammoniak auf 3,2 ± 0,2 gebracht,
und die Lösung
wird auf 1 Liter aufgefüllt.
Die Leitfähigkeit
wird überprüft. Die Lösung wird
nicht länger
als zwei Tage bei Raumtemperatur von 20 °C ± 5 °C gelagert.
-
Puffer B – Elution-:
50 mM Ammoniumacetat pH 3 2 ± 0
2 1 M NaCl Leitfähigkeit
83 ± 2
mSi/cm
-
2,8
ml Essigsäure
und 58,4 g NaCl werden unter Rühren
zu 900 ml Wasser gegeben. Der pH wird mit 25%igem Ammoniak auf 3,2 ± 0,2 gebracht,
und die Lösung
wird auf 1 Liter aufgefüllt.
pH und Leitfähigkeit werden überprüft.
-
Die
Lösung
wird nicht länger
als zwei Tage bei Raumtemperatur von 20 °C ± 5 °C gelagert.
-
Sterilisierungslösung: 0,5
M NaOH
-
20
g NaOH werden unter Rühren
in 900 ml gereinigtem Wasser aufgelöst, und die Lösung wird
auf 1 Liter aufgefüllt.
-
Lagerungslösung: 0,01
M NaOH
-
0,4
g NaOH werden unter Rühren
in 900 ml gereinigtem Wasser aufgelöst, und die Lösung wird
auf 1 Liter aufgefüllt.
Diese Lösung
wird bei Raumtemperatur von +20 °C ± 5 °C gelagert
und innerhalb von fünf
Tagen verwendet.
-
Verfahren
-
Post-Spaltungsmaterial
wird 1 : 2 mit gereinigtem Wasser verdünnt, wodurch eine Leitfähigkeit
der Lösung
von etwa 30 mSi/cm erhalten wird.
-
Dieser
Chromatographie-Schritt erfordert die Verwendung eines Systems,
das Gradienten zwischen dem Äquilibrierungs-
und dem Elutionspuffer bereitstellen kann.
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Die
Säule wird
mit mindestens 3 BV NaOH 0,5 M und mit gereinigtem Wasser gespült, bis
der pH neutral ist. Dann wird die Säule mit 4 bis 5 oder mehr BV Äquilibrierungspuffer
gespült.
pH und Leitfähigkeit
werden überprüft, und
die Waschung wird fortgesetzt, wenn die Parameter des Säulenabflusses
außerhalb
der Zielwerte liegen:
pH 3,2 ± 0,2 und Leitfähigkeit
6,4 ± 0,1
mS/cm
-
Das
gemäß obiger
Beschreibung hergestellte Ausgangsmaterial wird auf die Säule gegeben.
Sobald das Beschicken beendet ist, wird die Säule mit 2 bis 3 BV Äquilibrierungspuffer
gespült,
bis das UV-Signal die Grundlinie erreicht, und danach wird die Säule mit
einem Puffer aus 60% Äquilibrierungspuffer
und 40% Elutionspuffer gespült.
Etwa 5 bis 6 BV dieser Waschfraktion werden gesammelt.
-
Die
Elution wird mit einem Gradient zwischen 40% und 100% Puffer B in
20 BV durchgeführt.
Die Elution wird in Fraktionen (1 min. jede) gesammelt, die später vereinigt
werden, dem Chromatogramm-Muster folgend, welches gewöhnlich die
Peaks aus der Peptidsequenz, das gespaltene (und korrekte) und das
ungespaltene Molekül
zeigt. Basierend auf dem Chromatogramm werden die Fraktionen, die
den interessierenden Peak bilden, gesammelt, um die Elutionsfraktion
zu bilden.
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Dann
wird die Säule
mit mindestens 3 bis 4 BV NaOH und danach mit 3 bis 4 BV gereinigtem
Wasser gespült.
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Die
Säule wird
mit mindestens 3 BV Lagerungslösung
gespült
und bis zum nächsten
Zyklus gelagert.
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Schritt 7 – Mengen-Ultrafiltration
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Puffer und Lösungen
-
Puffer:
50 mM Ammoniumacetat pH 4,0 ± 0,1,
Leitfähigkeit
1,0 ± 0,2
mS/cm 2,8 ml Essigsäure
werden unter Rühren
zu 900 ml Wasser gegeben. Die Lösung
wird auf 1 Liter aufgefüllt.
Der pH wird mit 25%igem Ammoniak auf 4,0 ± 0,1 gebracht, und die Leit fähigkeit
wird überprüft. Die
Lösung
wird bei Raumtemperatur von +20 ± 5 °C gelagert und innerhalb von
1 Tag verwendet.
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Sterilisierungslösung: 0,5
M NaOH
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20
g Natriumhydroxid werden unter Rühren
in 900 ml gereinigtem Wasser aufgelöst. Die Lösung wird auf 1 Liter aufgefüllt und
bei Raumtemperatur gelagert.
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Lagerungslösung: 0,05
M NaOH
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2
g Natriumhydroxid werden unter Rühren
in 900 ml gereinigtem Wasser aufgelöst, die Lösung wird auf 1 Liter aufgefüllt, bei
Raumtemperatur von +20 ± 5 °C gelagert
und innerhalb von 3 Tagen verwendet.
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Verfahren
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Das
Ultrafiltrationssystem wird mit einer regenerierten Cellulosemembran
bei einem Cut-off von 3 KD (Millipore) ausgerüstet.
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Die
Ultrafilter werden mit 200 ml NaOH 0,5 M durch Kreislaufführung der
alkalischen Lösung
für nicht weniger
als 30 Minuten sterilisiert und dann mit gereinigtem Wasser gespült, bis
der Permeat-pH unter 7,5 liegt.
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Die
SP-HP-Sammel-Elutionslösung
wird auf dem System bei konstantem Druck von etwas weniger als 0,5
Bar rezirkuliert, und gereinigtes Wasser wird unter dem Bemühen, das
Volumen konstant zu halten, zugegeben. Die Leitfähigkeit wird überprüft, und
die Waschung wird fortgesetzt, bis Werte von weniger als 1 mSi/cm erreicht
werden.
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Dann
wird die Säule
mit dem Mengenpuffer gewaschen: 50 mM Ammoniumacetat pH 4,0 ± 0,1,
Leitfähigkeit
1,0 ± 0,2
mSi/cm, bis das Permeat die gleichen Werte erreicht.
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Die
Filterrückstands-Fraktion
wird gesammelt, und das System wird unter Rezirkulieren mit demselben Puffer
gewaschen, bis kein Schaum mehr sichtbar ist.
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Die
Ultrafilter werden gewaschen und sterilisiert durch Rezirkulieren
von etwa 200 ml 0,5 M NaOH über
mindestens 30 Minuten. Dann werden die Ultrafilter mit gereinigtem
Wasser ge spült,
bis der Permeat-pH unter 7,5 liegt. Die Ultrafilter werden daraufhin
in 0,05 M NaOH bei +20 ± 5 °C bis zum
nächsten
Zyklus gelagert.
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Analyse
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Die
Voranalyse für
die Mengenbestimmung der RANTES-Tripelmutante ist auf das Messen
der Molekülkonzentration
in den Verfahrensproben zum Überwachen
der Ausbeute des Verfahrens und zum Überwachen sowohl des Rückfaltungs-
als auch des Spaltungsschritts ausgerichtet worden. Im folgenden
werden die Analysen beschrieben.
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Die
mit RP-HPLC bestimmte Gesamtrückgewinnung
des Reinigungsverfahrens betrug über
30%, was im Vergleich zu den Daten in der Literatur ein sehr gutes
Ergebnis ist; die Reinheit mit RP-HPLC ist > 90%, mit SE-HPLC > 95%, und der HCP-Gehalt, analysiert mit
einem kommerziell erhältlichen
ELISA-Kit, ist < 100
ppm.
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Eine
Reihe anderer derartiger Analysen wie SDS, IEF und Maldi TOF der
verschiedenen Chargen an hergestellten Arzneimittelsubstanzen bestätigten die
Konsistenz des Verfahrens sowohl hinsichtlich der Reinheit als auch
der Qualität
des Moleküls.
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