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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft neue Peptide, die von Polypeptiden der sogenannten
NDF/Heregulin-Familie abgeleitet
sind. Diese Peptide weisen biologische Eigenschaften als ein mitogener
und Differenzierungsfaktor für
Colon-Epithelzellen und als ein tropher und mitogener Faktor für Schwannsche
Zellen auf.
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Hintergrund
der Erfindung
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Das
Protein, das als neu-Differenzierungsfaktor oder "NDF"bezeichnet wird,
ist ein 44-Kilodalton-Polypeptid,
das ursprünglich
von Ratten-Fibroblasten isoliert worden ist, von dem gezeigt wurde,
daß es
das Wachstum oder die Differenzierung von Epithelzellen induziert;
Peles et al., Cell, Band 69, Seiten 205–216 (1992). Sowohl dieses
hitzestabile Nagetierprotein als auch sein humanes Homolog, bezeichnet
als Heregulin, sind sezernierte Proteine, die ursprünglich mittels
Heparin-Bindungschromatographie aus den Medien von kultivierten
Krebszellen aufgereinigt wurden; Peles et al., Cell, oben, und Holmes
et al., Science, Band 256, Seiten 1205–1210 (1992). Es ist gefunden
worden, daß mehrere
Gliazellen-Wachstumsfaktoren
(GGF), die aus bovinem Hirngewebe isoliert wurden, mit diesen sogenannten
NDF/Heregulinen verwandt sind; Marchionni et al., Nature, Band 362,
Seiten 312–318
(1993). Ähnlich
ist gezeigt worden, daß eine
Gruppe von Proteinen, bezeichnet als ARIA, mit einem Molekulargewicht
im Bereich von 33 bis 44 Kilodaltons und aus Hühnchenhirngewebe auf der Grundlage
ihrer Acetylcholinrezeptor- induzierenden Aktivität aufgereinigt,
strukturell mit den NDF/Heregulinen verwandt sind; Falls et al.,
Cell, Band 72, Seiten 801–815
(1993). Es ist jetzt bekannt, daß die NDF/Heregulin-Familie
von Proteinen wenigstens zwölf
unterschiedliche Moleküle
enthält.
Es ist berichtet worden, daß die
humanen homologen Mitglieder dieser Familie durch ein einzelnes
Gen kodiert werden, das sich auf dem humanen Chromosom 8p12-p21 befindet,
das wenigstens 13 Exons enthält,
deren genaue Organisation nicht bestimmt worden ist; Orr-Urtreger
et al., Proceedings of the National Academy of Science, USA, Band
90, Seiten 1867–1871
(1993).
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Die
Zellmembran-gebundenen Precursor-Formen dieser Proteine (in dieser
Beschreibung als proNDF/Hereguline"bezeichnet) sind Mosaike von erkennbaren
strukturellen Motiven. Sie schließen ein N-terminales hydrophobes
Signalpeptid ein, gefolgt von entweder einer sogenannten "kringle"-Domäne (bestehend aus
mindestens 250 Aminosäureresten)
oder einer N-terminalen
nicht-hydrophoben Sequenz (bestehend aus ungefähr 40 Aminosäureresten).
Andere Regionen schließen
eine Imnunoglobulin(Ig)-artige Domäne (nährungsweise 70 Aminosäurereste),
eine sogenannte "spacer"-Domäne, die
vielfache Bindungsstellen für
N- und O-verknüpfte Glycosylierung
enthält,
eine epidermale Wachstumsfaktor (EGF)-artige Domäne von ungefähr 60–75 Aminosäureresten,
die 6 Cysteinreste einschließt,
eine hydrophobe Region von ungefähr
25 Aminosäureresten,
die als eine Transmembrandomäne
fungiert, und einen "cytoplasmatischen
Schwanz" ein, der
hinsichtlich seiner Länge
variieren kann. Einige dieser Transmembran-Precursorformen durchlaufen
eine proteolytische Spaltung in der Zelle, sowohl am N-Terminus
als auch in dem kurzen Sequenzabschnitt (juxtamembran), der die
EGF-artige Domäne mit der
Transmembrandomäne
verbindet. Abhängig
von der Aminosäuresequenz
in dieser Juxtamembran-Region sind die NDF/Hereguline als Subtyp
1, Subtyp 2, Subtyp 3, etc. bezeichnet worden. Zusätzliche
Variationen umfassen zwei Formen der C-terminalen Schleife der EGF-artigen Domäne, die
als alpha (α)
und beta (β)
bezeichnet werden, abhängig
von der Aminosäuresequenz
dieser Region; Wen et al., Molecular and Cellular Biology, Band
14, Nummer 3, Seiten 1909–1919
(1994).
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Ursprünglich als
eine Familie von Molekülen
isoliert, die die Phosphorylierung von Tyrosinresten in dem erbB2/Her2-Proto-Oncogen-Expressionsprodukt
induzieren, wurde zuerst gedacht, daß die NDF/Hereguline ein möglicher
Ligand für
diesen Rezeptor sind; Peles et al., Cell, oben; Wen et al., Cell,
Band 69, Seiten 559–572
(1992); Holmes et al., Science, oben, und Bacus et al., Cancer Research,
Band 53, Seiten 5251–5261 (1993).
Jedoch ist vor kurzem gezeigt worden, daß die NDF/Hereguline an die
Rezeptorproteine binden und diese stimulieren, die durch die Gene
kodiert werden, die als erbB3/Her3 und erbB4/Her4 kodiert werden; Plowman
et al., Band 366, Seiten 473–475
(1993); Kita et al., FEBS Letters, Band 349, Seiten 139–143 (1994); Carraway
et al., The Journal of Biological Chemistry, Band 269, Number 19,
Seiten 14303–14306
(1994); und Carraway et al., Cell, Band 78, Seiten 5–8 (1994).
Die EGF-artigen
Domänen
der verschiedenen NDF/Hereguline scheinen für die Rezeptorerkennung verantwortlich
zu sein und wirken unabhängig
von anderen strukturellen Motiven; siehe Holmes et al., Science,
oben.
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In
vitro ist gefunden worden, daß NDF/Hereguline
schwach mitogen für
verschiedene Epithelzellen sind, einschließlich Mamma, Lungen- und Magen-Epithelzellen;
Holmes et al., Science, oben. Jedoch durchlaufen bestimmte Mamma-Tumorzellen
offensichtlich einen Wachstumsstillstand in Antwort auf NDF oder
sein humanes Homolog; Peles et al., Cell, oben; und Bacus et al.,
Cell Growth and Differentiation, Band 3, Seiten 401–411 (1992).
Behandelte Zellen weisen einen reifen Phänotyp auf, der eine flache
Morphologie, Synthese des intrazellulären Adhäsionsmoleküls ICAM-1, und, im Falle von
Mamma-Zellen, die Sezernierung von Milchbestandteilen einschließt; Bacus
et al., Cell Growth and Differentiation, oben; und Bacus et al.,
Cancer Research, oben. Es ist beobachtet worden, daß rekombinant
produzierte Gliawachstumsfaktoren (GGFs) für kultivierte Schwannsche Zellen
mitogen sind, die sich ansonsten sehr langsam sogar in der Anwesenheit
von bekannten mitogenen Faktoren teilen; siehe Marchionni et al.,
Nature, oben. Das Motor-Neuron-abgeleitete NDF/Heregulin-Familienmitglied,
das als ARIA bekannt ist, scheint die Synthese von Acetylcholinrezeptoren und
möglicherweise
anderer Moleküle
durch postsynaptische Muskelzellen zu induzieren; siehe Falls, Cell, oben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Auf
der Grundlage von Studien, die im Hinblick auf die Lokalisierung
der N- und C-terminalen
Enden des extrazellulären
(„löslichen") Teil von membrangebundenen
NDF/Heregulin-Polypetiden durchgeführt worden sind, ist eine vermeintliche
C-terminale Verarbeitungsstelle diesen Polypeptiden zugeordnet worden.
Dieses C-terminale Ende ist in das Design zweier Formen der Polypeptide
mit kürzerer
Länge eingebaut
worden, die spezifisch auf die EGF-artige Domäne gerichtet sind. Diese Peptide,
die biologisch aktiv sind, umfassen einen Aspekt der vorliegenden
Erfindung. Genauer stellt die vorliegende Erfindung ein Peptid bereit,
das die Aminosäuresequenz
hat:
oder ein
Peptid der folgenden Aminosäuresequenz:
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
zusätzlich
DNA-Moleküle,
dir für
diese Peptide kodieren, Expressionsvektoren zum Steuern der Expression
der kodierten Peptide in Wirtszellen, transformierte oder transfizierte eukaryotische
und prokaryotische Wirtszellen, die bei der Produktion der Peptide
nützlich
sind, ein Verfahren zur rekombinanten Produktion der Peptide, Verfahren
zur Verwendung der Peptide bei der Ex-vivo-Behandlung von Zellen,
Peptide der Erfindung zur Verwendung bei humaner Therapie, pharmazeutische
Zusammensetzungen, enthaltend die Peptide als einen biologisch aktiven
Bestandteil, und Verwendungen von Peptiden der Erfindung zur Herstellung
von Medikamenten zum Überleben
von oder Proliferieren von Schwannschen Zellen in vivo, zum Proliferieren,
Wachsen und Differenzieren von Colon-Epithelzellen in vivo, zum Behandeln einer
Krankheit oder Störung
des Colons, zum Fördern
der Re-Epithelialisierung des Colons oder zum Behandeln einer Krankheit
oder Störung
des Nervensystems.
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Diese
Erfindung beruht auf der Entdeckung einer wichtigen Unterregion
innerhalb der bekannten EGF-artigen Domäne von extrazellulären NDF/Heregulinen,
wobei diese Unterregion nahe dem C-terminalen Ende liegt und sich
von Aminosäurerest
222 bis Aminosäurerest
228 des extrazellulären
NDF/Heregulin erstreckt (entsprechend der Aminosäurenumerierung der veröffentlichten
PCT-Anmeldung WO 94/28133, wie in größeren Einzelheiten weiter unten
erklärt
wird). Genauer ist es jetzt erkannt worden, daß die sieben-Aminosäure-Sequenz
von 222 bis 228 in der β-Form
von extrazellulären
NDF/Heregulinen eine größere biologische Aktivität bei den
hier gezeigten Assays als die entsprechende Sequenz von der α-Form von
extrazellulären NDF/Heregulinen
verleiht, trotz einer Sequenzidentität im Rest des Moleküls. Diese
Erkenntnis hat das Design und die Konstruktion von biologisch aktiven
Peptiden ermöglicht,
die in der Lage sind, die physiologischen Effekte der NDF/Hereguline
mit größerer Länge zu verdoppeln,
wobei sie gleichzeitig eine größere Verabreichungsleichtigkeit
bei bestimmten therapeutischen Verabreichungen wegen ihrer geringeren
Größe ermöglichen.
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Darüber hinaus,
wie anhand der weiter unten dargestellten biologischen Resultate
gesehen werden wird, sind die Peptide dieser Erfindung in geeignet
wirksamen Mengen als humane Colon-Epithel- und Schwannsche Zell-Wachstumsfaktoren
nützlich,
die die Fähigkeit
besitzen, die Proliferation und Reifung solcher Zellen zu stimulieren.
Entsprechend sind diese Peptide als Nährstoffe für das Überleben und das Studium solcher
Zellen in Kultur und potentiell als therapeutische Mittel zur Behandlung
von Krankheiten oder Zuständen verwendbar,
die aus Defizienzen, einer Verschlechterung oder Abnormitäten solcher
Zelln im Körper
resultieren.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1.
Diese Figur ist eine schematische Zeichnung (nicht im proportionalen
Maßstab)
der extrazellulären
Struktur von humanem NDF/Heregulin, umfassend (distal von dem Ende,
das an die Zellmembran bindet): die vermutete N-terminale „Heparin-Bindungs"-Region, eine Immunglobulin
(Ig)-artige Domäne,
eine Kohlenhydrat-(oder „Spacer)-Domäne und eine
EGF-artige Domäne,
proximal zum C-terminalen Ende. Die nicht-ausgefüllten Kreise in der Spacer-Domäne stellen
O-verknüpfte
Zucker dar, und die verzweigten ausgefüllten Kreise stellen N-verknüpfte Zucker
dar. Vier Disulfid-Bindungen, von denen eine in der Ig-artigen Domäne und drei
in der EGF-artigen Domäne
sind, werden ebenso gezeigt. Die Zahlen bezeichnen Aminosäurerest-Positionen
an ausgewählten
Punkten entlang der Polypetidkette, sequentiell ausgehend vom N-terminalen
Ende und in Richtung auf das C-terminale Ende. Die EGF-artige Domäne beginnt
näherungsweise
bei Aminosäurerestposition
177 (markiert) und endet näherungsweise
bei Aminosäurerestposition
228 (nicht markiert).
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2.
Diese Figur ist eine graphische Darstellung des proliferativen Effekts
der Peptide der Erfindung auf menschliche Colon-Epithelzellen in
vitro. Diese Peptide werden in den Figuren als EGF-β (SEQ ID
NO: 2, oben), dargestellt durch die ausgefüllten Kreise, und als EGF-α/β (SEQ ID
NO: 1, oben), dargestellt durch die nicht-ausgefüllten Kreise, bezeichnet. Zum
Vergleich sind zwei andere Peptide gleicher Länge eingeschlossen, bezeichnet
als EGF-α und EGF-β/α und durch
die ausgefüllten
bzw. nicht-ausgefüllten
Quadrate dargestellt. Die letzteren beiden sind Homologe, basierend
auf der EGF-Domäne
von extrazellulären
NDF-Heregulinen
und bestehen aus den weiter unten in diesem Text gezeigten Aminosäuresequenzen
(SEQ ID NOS: 3 bzw. 4). Die Proliferation wird mit einem Kristallviolettfarbstoff
gemessen, der das Zellprotein färbt
und auf die Zellzahl hinweist. Die Resultate werden auf der vertikalen
Achse in Einheiten der -fachen Stimulation dargestellt, was die
Extinktion von Peptidbehandelten Zellen, geteilt durch die Extinktion
von unbehandelten Zellen ist. Die pikomolare (pM) Konzentration
von Peptid, die verwendet wird, um die Zellen zu behandeln, wird
auf der horizontalen Achse gezeigt. Die besten Resultate für die Zellproliferation
werden bei EGF-β und
EGF-α/β gesehen,
in Übereinstimmung
mit der Erfindung. Einige gewisse Prolife ration wurde mit EGF-α erhalten,
obwohl es deutlich schlechter gegenüber EGF-β und EGF-α/β ist. Kein
Effekt wurde bei EGF-β/α gesehen.
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3.
Diese Figur umfaßt
Mikrophotographien von fluoreszierend markiertem Aktin in LIM 1215
humanen Kolon-Epithelzellen, entweder ohne Behandlung (obere Tafel)
oder mit Inkubation für
drei Tage mit 5% fötalem
bovinem Serum (FBS, untere Tafel). In der Abwesenheit einer Behandlung
(obere Tafel) erschienen die Zellen klein und abgerundet. Die Zellen
zeigten eine gewisse Veränderung
mit einer FBS-Behandlung, und sie erscheinen geringfügig größer.
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4.
Diese Figur umfaßt
Mikrophotographien von fluoreszierend markiertem Aktin in LIM 1215
humanen Colon-Epithelzellen, nach Inkubation für drei Tage mit EGF-α (Vergleich,
obere Tafel) und EGF-β (diese Erfindung,
untere Tafel). Ein Hinweis auf zelluläre morphologische Veränderungen
wird für
diejenigen Zellen gesehen, die mit EGF-β behandelt werden, aber nicht
in Zellen, die mit EGF-α behandelt
werden. Alle Peptide wurden in einer 420 picomolaren Konzentration
zugegeben.
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5.
Diese Figur umfaßt
Mikrophotographien von fluoreszierend markiertem Aktin in LIM 1215
humanen Colon-Epithelzellen, nach einer Inkubation für drei Tage
mit EGF-β/α (Vergleich
obere Tafel) und EGF-α/β (diese Erfindung,
untere Tafel). Wie bei EGF-β (4,
oben), wird ein Hinweis auf Zellentwicklung und -Reifung für Zellen
beobachtet, die mit EGF-α/β behandelt
worden sind. Im Gegensatz dazu erscheinen diejenigen Zellen, die
mit EGF-β/α behandelt
worden sind, unverändert.
Alle Peptide wurden in einer 420 picomolaren Konzentration zugegeben.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Studien,
die im Hinblick auf die cDNAs für α- und β-Formen von
extrazellulären
NDF/Heregulin unternommen wurden, exprimiert in chinesischen Hamster-Eierstockzellen
(CHO), waren erfolgreich im Lokalisieren des C-terminalen Endes
am Aminosäurerest
228 als die primäre
Stelle für
proteolytische Spaltung. Unter Verwendung der jeweiligen NDF/Hereguline,
bekannt als α2
und β1,
wurden mehrere Peptide auf der Grundlage der Identität mit oder
Homologie zu den EGF-artigen Domänen
in diesen Proteinen entworfen. Wie hierin verwendet, sind die Proteine,
die als „α2" und „β1" bezeichnet werden,
diejenigen, die in der PCT-Anmeldung WO 94/28133 offenbart worden
sind, veröffentlicht
am 8. Dezember 1994. Die Sequenz von α2 (von Aminosäurerest
1 bis Aminosäurerest
462) wird in 32 der PCT-Anmeldung
wiedergegeben (siehe auch SEQ ID NR: 8 darin). Die Sequenz von β1 wird teilweise
(von Aminosäurerest
95 bis Aminosäurerest
645) in 35 der veröffentlichen PCT-Anmeldung wiedergegeben
(siehe auch SEQ ID NR: 14 darin). Die ersten 94 Aminosäurereste
(N-terminales Ende) von β1,
die nicht in PCT-35 abgebildet sind,
sind identisch mit den ersten 94 Aminosäureresten von α2, die in
PCT-32 gezeigt werden. Eine Darstellung
des extrazellulären
(„löslichen") Teils der α- und β-Formen von
NDF/Heregulin wird in 1 der vorliegenden Beschreibung
gezeigt.
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Die
anfänglichen
Studien, auf die hier Bezug genommen wird, verwendeten Peptide,
basierend nur auf Sequenzen der EGF-artigen Domäne der vorher erwähnten α2- und β1-Formen
von NDF/Heregulin, das heißt, demjenigen
Teil des extrazellulären
Proteins von Aminosäurerest
177 bis Aminosäurerest
228 (siehe 1 hierin). Studien offenbarten,
daß das β-Peptid,
das hierin als EGF-β bezeichnet
wird, biologisch aktiver war als das α-Peptid (EGF-α) in bestimmten
Assays. Der Grund für
diesen Unterschied war anfänglich
nicht offensichtlich. Jedoch wurde im Verlauf von Peptidkartierungsstudien
der EGF-artigen Domänen
von NDF/Heregulinen entdeckt, daß die α- und β-Formen mit unterschiedlichen
Raten gespalten (abgebaut) wurden, wenn sie einem Verdau durch Endoproteinase-Lys-C
unterzogen wurden. Insbesondere war die β-Form gegenüber diesem Enzym resistenter
und wurde mit einer geringeren Rate gespalten. Darüber hinaus
schien dieses Phänomen auf
den Lysinrest an Position 211 beschränkt zu sein. Es gab keinen
offensichtlichen Unterschied hinsichtlich der Spaltungsrate zwischen α und β bei irgendeinem
anderen Lysinrest im N-terminalen Ende der EGF-artigen Domäne. Diese
Beobachtung legte nahe, daß die
strukturelle Konformation der Region des Moleküls, enthaltend Lysin-211, zwischen α und β unterschiedlich
sein kann, was zu einer schnelleren enzymatischen Spaltung für die α-Form führt.
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Weiterhin
wurde festgestellt, daß die
Aminosäuresequenz
in der EGF-artigen Domäne
der α- und β-Formen von
Aminosäurerestposition
177 bis Aminosäurerestposition
212 identisch sind. Es wurde vermutet, daß der Unterschied hinsichtlich
der Empfindlichkeit gegenüber
Spaltung auf Konformationsunterschieden im C-terminalen Ende der
EGF-artigen Domäne,
von Aminosäurerest
212 bis Aminosäurerest
228 beruht. Diese Überlegung
legte nahe, daß das
C-terminale Ende für
die biologische Aktivität
wesentlich sein kann, und führte zur
Synthese von zwei Chimären
für weiteres
Testen und die Bestätigung
dieser Hypothese. Genau eruhten diese beiden chimären Peptide
auf einem „Umschalten" („switching") der 222–228-Aminosäuresequenz
zwischen EGF-α und
EGF-β, um
den Effekt auf die biologische Aktivität dieser Sequenz zu studieren.
Insgesamt wurden vier Peptide synthetisiert, einschließlich der
beiden vorher erwähnten
chimären
Peptide. Die vier Peptide hatten die folgenden Sequenzen:
- (1) SHLVK (A) QNYVMAS, oder EGF-α/β (SEQ ID
NO: 1)
- (2) SHLVK (B) QNYVMAS, oder EGF-β (SEQ ID NO: 2)
- (3) SHLVK (A) TENVPMK oder EGF-α (SEQ ID NO: 3)
- (4) SHLVK (B) TENVPMK, oder EGF-β/α (SEQ ID NO: 4)
wobei „(A)" die Aminosäuresequenz and
bezeichnet und
„(B)" die Aminosäureseuqenz bezeichnet.
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Die
relativ kurze Länge
dieser Peptide war vorteilhaft bei der Herstellung mittels chemischer
Synthese unter Verwendung des folgenden Verfahrens.
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Chemische
Synthese von Peptiden
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Jedes
Peptid wurde mit dem Fmoc (Fluorenyl-methoxycarbonyl)/t-butyl-basierenden
Festphasenchemieverfahren für
die Peptidsynthese hergestellt. Ein ABI-431-Instrument (Applied
Biosystems, Foster City, CA) mit einem einzelnen Kopplungsprogramm,
wurde verwendet, um den Peptidkettenaufbau zu bewirken, ausgehend
von einem kommerziell erhältlichen
Hydroxymethyl-phenylacetyl(HMP)-derivatisierten Polystyrolharz. Die
Dicyclohexylcarbodiimid(DDC) vermittelte Kopplung des C-terminalen
Restes, FmocLys(t-Boc)OH, wurde mit 4-Dimethylaminopyridin (DMAP)
katalysiert. Alle darauffolgenden Reste wurden entweder als symmetrische
Anhydride oder Hydroxybenztriazol (HOBt)-Ester gekoppelt. Nach Abschluß der Synthese
wurde jedes Peptidharz über
Nacht vakuumgetrocknet, dann einer acidolytischen Entschützung und
Spaltung unter Verwendung von 20 ml einer Mi schung, umfassend Trifluoressigsäure : Thioanisol
: β-Mercaptoethanol
: Wasser : Phenol in einem Verhältnis
von 80 : 5 : 5 : 5 : 5, unterzogen. Nach Rühren für vier Stunden bei Zimmertemperatur
wurde die Suspension gefiltert, das Filtrat wurde aufkonzentriert
(unter Verwendung eines Rotationsverdampfers), und das Rohpeptid
wurde unter Verwendung von kaltem Diethylether ausgefällt.
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Das
Peptid wurde unmittelbar in 50 ml eines 8M Guanidinpuffers suspendiert,
enthaltend 100 mM Dithiothreitol (DTT) und 50 mM TRIS, eingestellt
auf pH B. Nach Rühren
für mehrere
Stunden bei Zimmertemperatur wurde die Lösung auf eine Vydac C4-präparative
Umkehrphasensäule
aufgetragen und mit einem 0–60%
Gradienten von 0,1% TFA/Acetonitril über eine Stunde eluiert, unter
Verwendung eines Beckman-Lösungsmittelabgabesystems
vom Modell 114M. Fraktionen mit dem besten analytischen Profil wurden
vereinigt und lyophilisiert.
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Optimale
Bedingungen für
die Peptidfaltung, um ein aktives Produkt zu erhalten, umfaßten das
Auflösen
des linearen Materials (bei näherungsweise
1 mg/ml) in einem Puffer, bestehend aus 25 mM TRIS, pH 8, 1 mM EDTA,
1 mM (für α-Formen)
oder 0,5 mM (für β-Formen)
Glutathion (oxidiert) und 1 mM Glutathion (reduziert), und Rühren über Nacht
bei Zimmertemperatur. Das oxidierte gefaltete Material wurde unter
Verwendung einer präparativen
Umkehrphasensäule
(YMC Co., Ltd., Japan), ausgestattet mit einer Thermostatumhüllung, äquilibriert
bei 40°C,
und unter Elution mit einem flachen 0,1% TFA/Acetonitril-gradient
isoliert.
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Die
Homogenität
der Endprodukte wurde mittels analytischer HPLC und CZE beurteilt.
Eine vollständige
Charakterisierung wurde mittels einer Aminosäureanalyse, Elektrospray-Massenspektrometrie,
partieller Preview-Sequenzierung und enzymatischer Fragmentierung
ermöglicht.
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Colon-Zellproliferation
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- a) Kristallviolett-Proliferationsassay. Die
humane Colon-Epithelzellinie, LIM 1215 (Whitehead, R. H. et al., J.
Natl. Cancer Inst. 4: 759–765,
1985) wurde in RPMI-1640-Medium
wachsengelassen, supplementiert mit 5% FBS, 1 μg/ml Hydrocortison, 1 μg/ml bovines
Insulin, 10 μM
alpha-Thioglycerol und 1 × PSG
(0,292 mg/ml von 1-Glutamin, 100 Einheiten/ml Penicillin G, und
100 μg/ml
Streptomycinsulfat). Am Beginn des Assays waren die Zellen 30% konfluent
und proliferierten rasch. Zellen wurden mit Trypsin freigesetzt,
mit PBS gewaschen und in 96-Napf-Platten in 5.000 Zellen/Napf in
Medien mit geringem Serumgehalt (0,05%) ausgesät (McCoy's-5A, supplementiert mit 4 μg/ml Transferrin,
10 μg/ml
Insulin, 10 mM Selensäure,
4 nM Triiodthyronin und 0,03% BSA). Testpeptidverdünnungen
wurden unmittelbar am Tag 0 zugegeben. Das Gesamtvolumen betrug
100 μl.
Die Kontrollen schlossen keine Behandlung und serielle Verdünnungen
von FBS ein. Die 96-Napf-Platten wurden dann für drei Tage bei 37°C in einer
5% CO2-Atmosphäre inkubiert. Die Medien wurden
mittels Aspiration entfernt, und 30 μl 2% Kristallviolett (Difco)
in Methanol wurde zu den Zellen für 15 Minuten Färbung zugegeben. Überschüssiger Farbstoff
wurde mit destilliertem Wasser weggewaschen. Zu jedem Napf wurden
100 μl 0,04
N HCl in Isopropanol zugegeben, und der Farbstoff wurde durch Mischung
resolubilisiert. Die Extinktion wurde bei 595 nm bestimmt und die
Werte wurden als -fache Stimulation gegenüber dem Hintergrund (oder keine
Behandlung) aufgetragen.
- b) Stimulation von Colon-Zellproliferation. LIM-1215-Zellen
wurden mit den oben erwähnten
Peptiden behandelt, und die Ergebnisse werden in 2 gezeigt.
Wie in der Figur gezeigt, stimulierte EGF-β die Proliferation von LIM-1215-Zellen,
während
EGF-α als
ein Mitogen nicht so potent war. Dies legt in starker Weise nahe,
daß eine
bedeutende Determinante für
mitogene Aktivität
in den letzten 16 Aminosäuren
des C-terminalen Teils von EGF-β liegt, entsprechend
Aminosäuren
213–228
des oben erwähnten
extrazellulären
NDF/Heregulins voller Länge.
Die chimären
Peptide halfen, diese Aktivitätsdeterminante
auf die sieben Reste, entsprechend Aminosäuren 222–228 des extrazellulären NDF/Heregulins
voller Länge,
zu fokussieren. Insbesondere besteht EGF-α/β aus den ersten 45 Aminosäureresten
von dem N-terminalen Teil von EGF-α und den letzten sieben Aminosäureresten
vom C-terminalen
Teil von EGF-β (oder α177–221/β222–228, entsprechend
der Aminosäurenumerierung
des extrazellulären
NDF/Heregulins voller Länge).
Umgekehrt steht EGF-β/α aus den
ersten 45 Aminosäureresten
vom N-terminalen Teil von EGF-β und
den letzten sieben Aminosäureresten
vom C-terminalen Teil von EGF-α (oder β177–221/α222–228, entsprechend
der Aminosäurenumerierung
des extrazellulären
NDF/Heregulins voller Länge).
Während
EGF-α/β signifikante
mitogene Aktivität
auf LIM-1215-Colonzellen aufwies, zeigte EGF-β/α keinen nachweisbaren Effekt
unter denselben Bedingungen (siehe 2). Diese
Resultate zeigen sehr deutlich, daß die mitogene Aktivität der Peptide
in dem C-terminalen Ende des Peptids liegt. Genauer ist der höchste Aktivitätsgrad den
letzten sieben Aminosäureresten
von der EGF-artigen Domäne
der β-Form
zuzuordnen.
- c) Färben
von humanem LIM-1215-Colonzellen mit fluoreszierendem Farbstoff.
LIM-1215-Zellen
wurden in RPMI-1640 Medium wachsen gelassen, supplementiert mit
5% FBS, 1 μg/ml
bovinem Insulin, 10 μm
alpha-Thioglycerol und 1 × PSG.
Zum Zeitpunkt des Assay waren die Zellen mehr als 30% konfluent
und proliferierten rasch. Die Zellen wurden in 24-Napf-Platten in 25.000
Zellen/Napf in Serum-freiem Medium ausgesät (McCoy's-5A, supplementiert mit 4 μg/ml Transferrin,
10 μg/ml
Insulin, 10 mM Selensäure,
4 mM Triiodthyronin, und 0,03% BSA). Testpeptide wurden in einer
Konzentration von 420 picomolar unmittelbar am Tag 0 zugegeben;
das Gesamtvolumen betrug 1,0 ml. Kontrollen schlossen keine Behandlung
und serielle Verdünnungen
von FBS ein. Die 24-Napf-Platten wurden dann für 3 Tage bei 37°C und 5%
CO2 inkubiert, wonach die Medien durch Aspiration
entfernt wurden und die Zellen in 1,0 ml PBS mit 0,5% BSA gewaschen
wurden. Alle darauffolgenden Wart. Die Zellen wurden dann in schungen
wurden mit diesem Puffer durchgefühOrthopermeafix (Ortho Chemicals
Co.) für
30 Minuten bei Zimmertemperatur fixiert und wurden zweimal gewaschen.
Dann wurden 200 μl
einer 10 nM NBD-Phalloidin-fluoreszierenden Farbstofflösung in PBS
zugegeben, und die Zellen wurden im Dunkeln (eingewickelt in Aluminiumfolie)
für 30
Minuten bei Zimmertemperatur inkubiert. Die Zellen wurden zweimal
gewaschen und unter Verwendung eines konfokalen Mikroskops inspiziert.
- d) Morphogene Aktivität
von Peptiden auf Colon-Epithelzellen. Nach Behandlung von LIM-1215-Zellen
mit dem EGF-β-Peptid
war es offensichtlich, daß sich
die Morphologie der Zellen dramatisch veränderte. 3 zeigt
die Färbung
der Actinfilamente der Zellen (siehe oben für die Vorgehensweise), nachdem
keine Behandlung durchgeführt
wurde (obere Tafel) und nach einer Behandlung mit 5% FBS (untere
Tafel). In der Abwesenheit einer Behandlung erschienen die Zellen
klein und abgerundet. In der Anwesenheit von FBS wechselten die
Zellen ihre Erscheinung, wurden nur geringfügig größer, blieben aber abgerundet.
Im Gegensatz dazu durchliefen die Zellen in der Anwesenheit von
EGF-β (4,
untere Tafel) eine merkbare Veränderung
in der Morphologie, wurden größer und
nahmen eine Pflasterstein-artige Erscheinung an. Andererseits erzeugte
EGF-α (4,
obere Tafel) nicht dieselben morphogenen Veränderungen. Da die Zellen in
5% FBS-Serum-enthaltenden Medien rasch proliferierten (3),
konnte die einzigartige Morphologie, die durch das EGF-β-Peptid verursacht
wurde, nicht allein auf seiner Fähigkeit
beruhen, die Proliferation zu stimulieren. Darüber hinaus muß der Unterschied
in den morphogenen Aktivitäten
zwischen EGF-β und EGF-α seinen Ursprung
in den letzten 16 Aminosäuren
des C-Terminus gehabt haben, da dies der einzige Unterschied in
der Sequenz zwischen den beiden Peptiden ist.
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Eine
weitere Lokalisierung der morphogenen Aktivität wurde durch Verwendung der
chimären
Peptide, EGF-β/α und EGF-α/β, erhalten.
Wie anhand von 5 gesehen werden kann, verursachte
EGF-α/β offensichtliche
morphogene Veränderungen
in LIM-1215-Zellen (untere Tafel), während EGF-β/α keine merkbare Veränderung
erzeugte (obere Tafel). Wiederum ist der einzige Unterschied in
der Sequenz zwischen diesen beiden Peptiden die letzten sieben Aminosäuren des
C-terminalen Abschnitts.
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Eine
zusätzliche
Bestätigung
für die
Wichtigkeit dieser Sequenz von sieben Aminosäuren wurde erhalten durch Durchführung einer
Bewertung im Hinblick auf verschiedene Markerproteine auf den LIM-1215-Zellen.
Ein ACAS-konfokales Bild-Cytometer wurde verwendet, um eine Anzahl
von Markern auf den Zellen nachzuweisen, ohne die Zellen von der
Kulturschale zu lösen,
wie dies normalerweise für
eine Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierungsanalyse (FACS) gemacht
wird. Die in Tabelle 1, unten, präsentierten Daten zeigen, daß EGF-β eine erhöhte Expression
(+) von karzino-embryonalem Antigen (CEA) und Integrin β4 hervorrief.
Umgekehrt war die Villin-Expression durch EGF-β herunterreguliert (–). Die
Expression einer Anzahl von anderen Markern war unverändert (0)
durch die Behandlung mit EGF-β.
Analog zu den vorherigen Resultaten, die starke beobachtbare Morphologieveränderungen
charakterisierten, veränderten
weder EGF-α noch EGF-β/α die Konzentration
dieser Markerproteine, während
EGF-α/β die Expression
der Markerproteine auf eine Weise veränderte, die ähnlich derjenigen
ist, die bei EGF-β gesehen
wird.
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Tabelle
1
Marker-Proteinexpression
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Krebsbehandlungen,
die eine Chemo- oder Bestrahlungstherapie beinhalten, führen zu
einer schweren Zerstörung
der Epithelschicht des Colons. Die vorhergehenden Resultate zeigen
an, daß die
Peptide der Erfindung eine Re-Epithelialisierung des Colon fördern und
die negativen Effekte erleichtern können, die durch eine Schädigung der
Intestinal-Epithele verursacht werden.
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Überleben
und Proliferation von Schwannschen Zellen
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Die
neurobiologische Aktivität
der Peptide wurde ebenso durch Studieren ihrer Effekte auf das Überleben
und Wachstum von Schwannschen Zellen bewertet, wie unten beschrieben.
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Der
Nervus ischiadicus von neugeborenen Ratten wurde verwendet, um eine
Primärkultur
von Schwannschen Zellen zu erzeugen. Die Zellen wurden über Nacht
in 10% ohne Aussetzen gegenüber
irgendeinem Wachstumsfaktor ausplattiert. Am folgenden Tag wurden
EGF-β, EGF-α/β und EGF-β/α in den in
Tabelle 2, unten, gezeigten Konzentrationen in Nanogramm pro Milliliter
(ng/ml) zugegeben. 24 Stunden später
wurde BrdU zu jeder Testprobe für
sechs Stunden zugegeben. BrdU ist ein Thymidinanalog, das in die
DNA von sich teilenden Zellen eingebaut wird und mittels Immunchemie-Standardprozeduren
nachgewiesen werden kann. Dieses Mittel stellt somit ein Mittel
zum Bestimmen der Expansion der Gesamtmenge an DNA in einer Testprobe
bereit und ist ein Maß dafür, ob eine
Zellproliferation stattgefunden hat. Nach Abschluß der Testperiode
wurden die Schwannschen Zellen fixiert und immunhistochemisch analysiert.
Die Zellen wurden zuerst auf Nervenwachstumsfaktorrezeptor (NGFR)
gefärbt,
der ein bekannter Marker für
Schwannsche Zellen in Kultur ist, gefolgt von einer Färbung auf
BrdU. Die Zellzählung
wurde wie folgt durchgeführt:
In einem gegebenen Mikroskop-Blickfeld wurden alle erkennbaren Schwannschen
Zellen gezählt,
dann wurde die Anzahl an Zellen, die sich bei BrdU-Färbung als
positiv erwiesen, ebenso gezählt.
Für jede
Testprobe (oder Napf) wurden zwei oder drei Felder gezählt, was
insgesamt auf 200–300
Schwannsche Zellen hinauslief. Das Resultat wird in Tabelle 2 als
der prozentuale Anteil von proliferierenden Schwannschen Zellen
ausgedrückt.
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Tabelle
2
Schwannsche Zell-proliferation
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Wie
anhand dieser Resultate gesehen werden kann, stimulierten sowohl
EGF-β als
auch EGF-α/β die Proliferation
von Schwannschen Zellen in einem signifikant größeren Ausmaß als EGF-β/α.
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Die
oben im Hinblick auf EGF-β und
EGF-α/β präsentierten
Testresultate deuten auf die Nützlichkeit dieser
Peptide als Mittel für
das Überleben,
Wachstum und die Proliferation von Colon-Epithelzellen und Schwannschen
Zellen hin. Als ein Minimum werden diese Peptide nützlich sein,
um solche Zellen in Kultur für
das Studium bei der Forschung und weiterhin für die Herstellung von Gewebe
zur Verwendung bei der Implantationstherapie bei dafür bedürftigen
Patienten wachsen zu lassen. Von besonderem Interesse werden Patienten sein,
die an Zuständen
oder Krankheiten leiden, welche Defizienzen in oder Verluste an
solchen Zellen beinhalten. Im Falle von Colon-Epithelzellen, insbesondere,
schließen
solche Zustände
Geschwüre
und Colitis ein, die beide einen Mangel an oder eine Verschlechterung
von Colon-Epithelzellen
beinhalten. Die Peptide dieser Erfindung sind vielversprechend als
Wachstumsfaktoren für
die therapeutische Behandlung solcher Zustände, sei es, daß sie ex
vivo verwendet werden, um Ersatzgewebe wachsen zu lassen, oder sei
es, daß sie
in vivo für
die in situ-Erzeugung
von solchen Zellen und Geweben verwendet werden.
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Im
peripheren Nervensystem sind Schwannsche Zellen, die eine Klasse
von Glia-Zellen ausmachen, für
die Bildung der Myelinscheide verantwortlich, die die Axone in Vertebraten
umgeben und diese isolieren. Die funktionelle Wichtigkeit von Myelin
ist durch die schwere Beinträchtigung
bei motorischen Funktionen unterstrichen worden, die bei sogenannten
Demyelinationskrankheiten beobachtet werden, einschließlich Multipler
Sklerose und amyotropher Lateralsklerose, die mit einem umfassenden
Abbau der Myelinscheide im zentralen Nervensystem assoziiert sind.
Eine traumatische Verletzung gegenüber dem peripheren Nervensystem beinhaltet
oft die Zerstörung
des Myelins, das für
eine richtige Heilung repariert werden muß. Wie die gezeigten Resultate
deutlich machen, sind die Peptide dieser Erfindung nützlich,
um das Überleben,
Wachstum und die Proliferation von Schwannschen Zellen in Kultur
zu unterstützen,
was eine Quelle von solchen Zellen zur Implantierung in demyelinisierten
Stelle von peripheren Nervenschäden
ermöglicht.
Es ist ebenso möglich,
daß eine
in vivo-Verabreichung dieser Peptide, in geeigneter Weise formuliert,
zur Regenerierung und Proliferation von Ersatz-Schwannschen Zellen
führen
wird, was zu einer Remyelinisierung und Wundheilung führt.
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Eine
Verwendung der Peptide dieser Erfindung in Übereinstimmung mit den zuvor
erwähnten
Anwendungsverfahren liegen innerhalb der Fähigkeiten eines geschickten
Fachmannes. Die Menge an Peptid, die für die Behandlung einer bestimmten
Krankheit oder Zustand in vivo wirksam ist, wird von der spezifischen
Natur der Krankheit oder Störung
abhängen,
und solche Mengen können
mittels klinischer Standardtechniken bestimmt werden. Sofern möglich, ist
es wünschenswert,
die Dosis-Antwort-Kurve und pharmazeutischen Zusammensetzungen der
Erfindung zuerst in vitro zu bestimmen, wie etwa in bekannten Bioassay-Systemen
und dann in nützlichen
Tiermodellsystemen, bevor an Menschen getestet wird. Verfahren zur
in vivo-Verabreichung schließen
ein, sind aber nicht notwendigerweise beschränkt auf intravenös, intramuskulär, intraperitoneal,
oral oder intradermal.
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Darüber hinaus
kann es wünschenswert
sein, die pharmazeutischen Zusammensetzungen der Erfindung lokal
an das behandlungsbedürftige
Gebiet zu verabreichen. Dies kann zum Beispiel durch die lokale
Infusion während
einer Operation, durch eine Injektion, einen Katheter oder ein Implantat
erreicht werden, wobei das Implantat aus einem porösem, nicht-porösem oder
gelatinösem
Material, einschließlich
Membranen, wie etwa sialastischen Membranen oder Fasern ist.
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Die
Erfindung stellt ebenso pharmazeutische Zusammensetzungen bereit,
umfassend Peptide, die über
Liposomen, Mikropartikel oder Mikrokapseln verabreicht werden. In
verschiedenen Ausführungsformen der
Erfindung kann es nützlich
sein, solche Zusammensetzungen zu verwenden, um eine verzögerte Freisetzung
zu erzielen. Die Peptide der Erfindung können in jedem sterilen biokompatiblen
Träger
verabreicht werden, einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Salzlösung,
gepufferte Salzlösung,
Dextrose und Wasser, als solche, oder, sofern erwünscht, zusammen
mit beliebigen geeigneten Zusatzstoffen.
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Während die
Produktion der Peptide spezifisch im Hinblick auf die chemische
Synthese veranschaulicht worden ist, stellen herkömmliche
Verfahren der rekombinanten Produktion ein geeignetes alternatives
Mittel zu ihrer Herstellung dar. Erläuterungsweise kann eine Nukleotidsequenz,
die für
das Peptid kodiert, in einen geeigneten Expressionsvektor eingeführt werden,
d. h. einen Vektor, enthaltend die notwendigen Elemente für die Transkription
und die Translation der eingefügten
Peptid-kodierenden Sequenz. Eine Vielzahl von Wirt-Vektor-Systemen kann verwendet
werden, um die Peptid-kodierende Sequenz zu exprimieren. Solche Systeme
schließen
ein, sind aber nicht beschränkt
auf Säugetier-Zellsysteme,
die mit einem Virus infiziert worden sind (z. B. Vaccin-Virus, Adenovirus,
etc.); Insekten-Zellsysteme, die mit einem Virus infiziert worden
sind (z. B. Baculovirus); Mikroorganismen, wie etwa Hefe, enthaltend
Hefevektoren, oder Bakterien, die mit Bakteriophagen-DNA, Plasmid-DNA
oder Cosmid-DNA transformiert worden sind. Die Expressionselemente
dieser Vektoren variieren hinsichtlich ihrer Stärken und Spezifitäten. Abhängig von
dem verwendeten Wirt-Vektorsystem
kann irgendeines aus einer Anzahl von geeigneten Transkriptions-
und Translationselementen verwendet werden.
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Ein
beliebiges der zuvor für
die Einführung
von DNA-Fragmenten in einen Vektor beschriebenen Verfahren kann
verwendet werden, um Expressionsvektoren zu konstruieren, die ein
chimäres
Gen enthalten, bestehend aus geeigneten Kontrollsignalen und Peptid-kodierenden
Sequenzen. Diese Verfahren können
in vitro-rekombinante DNA-Techniken und synthetische Techniken und
in vivo-Rekombinationen (genetische Rekombination) einschließen. Eine
Expression einer Nukleinsäure,
die für
das Peptid kodiert, kann durch eine zweite Nukleinsäuresequenz
reguliert werden, so daß das
Peptid in einem Wirt exprimiert wird, der mit dem rekombinanten
DNA-Molekül
transformiert worden ist. Zum Beispiel kann eine Expression durch
ein beliebiges Promotor/Enhancer-Element kontrolliert werden, das
auf dem Gebiet bekannt ist.
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Wenn
ein geeignetes Wirtssytem und Wachstumsbedingungen etabliert worden
sind, können
rekombinante Expressionsvektoren fortgepflanzt und in Mengen hergestellt
werden. Wie zuvor erklärt,
schließen
die Expressionsvektoren, die verwendet werden können, ein, sind aber nicht
beschränkt
auf die folgenden Vektoren oder ihre Derivate: humane oder Tierviren,
wie etwa Vaccinia-Virus oder Adenovirus; Insektenviren, wie etwa
Baculovirus; Hefevektoren; Bakteriophagen-Vektoren (z. B. Lambda)
und Plasmid- und Cosmid-DNA-Vektoren, um nur einige zu nennen.
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Das
resultierende exprimierte Peptid kann mittels Standardverfahren
isoliert und aufgereinigt werden, einschließlich Chromatographie (z. B.
Ionenaustausch, Affinität
oder Größensortierende
Chromatographie), Zentrifugation, differentieller Löslichkeit
oder mittels einer beliebigen anderen Standardtechnik für eine solche Aufreinigung.
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Die
Verfahren zur rekombinanten Produktion, die in der zuvor erwähnten PCT-Anmeldung
WO 94/28133 beschrieben sind, sind zur Verwendung hierin besonders
geeignet.
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