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Die
vorliegende Erfindung betrifft Hybridmoleküle zwischen hitzelabiler Enterotoxin-B-Untereinheit (LTB)
und Choleratoxin-B-Untereinheit (CTB). Immunogene Proteine, umfassend
solche Hybridmoleküle,
optional fusioniert mit immunoreaktiven Aminosäuresequenzen von oder aus Zellen
oder Viren, können
als immunogene Komponenten in Vakzinen verwendet werden, z.B. in
einem Breitspektrumvakzin gegen Enterotoxin-induzierte Diarrhoe.
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Hintergrund
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Cholera
bleibt ein wichtiger Grund für
Erkrankungen in vielen Entwicklungsländern und es wurde geschätzt, dass
sie zu mehr als 200.000 Todesfällen
pro Jahr führt.
Eine Infektion mit enterotoxischem E. coli (ETEC) ist der häufigste
Grund für
eine Diarrhoe in Entwicklungsländern
und bei Reisenden; sie ist verantwortlich für mehr als eine Milliarde Diarrhoe-Episoden
und eine Million jährlicher
Todesfälle.
Die Infektion mit ETEC ist auch ein wichtiger Grund für eine Erkrankung
bei Tieren. Sowohl für
Cholera als auch ETEC-Infektionen besteht ein großer Bedarf
an effektiven Vakzinen.
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Sowohl
bei Cholera als auch ETEC-Infektionen ist der Hauptgrund der Diarrhoe
die Wirkung eines Enterotoxins, das durch die infizierenden Organismen
im Verdauungstrakt freigesetzt wird; im Fall von Cholera das Choleratoxin
(CT) und im Fall von ETEC das hitzelabile Enterotoxin (LT). Die
beiden Toxine sind sowohl strukturell als auch funktionell eng verwandt
und bestehen jeweils aus einer toxischen A-Untereinheit (CTA bzw.
LTA), umgeben von fünf
identischen B-Untereinheiten (CTB bzw. LTB) (Spangler, 1992). Die
B-Untereinheit-Pentamere sind für
die Bindung des Toxins an die GM1-Gangliosid-Rezeptoren verantwortlich,
die auf der Oberfläche
von intestinalen Epithelzellen vorliegen (Holmgren, 1981); LT kann
auch an die strukturell verwandten Galactoproteinrezeptoren binden
(Holmgren und Fredman, et al., 1982).
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Obwohl
beide Proteine interne Variationen in einigen Aminosäureresten
aufweisen können,
z.B. in humanen, gegenüber
Tier-ETEC-Isolaten und bei klassischen, gegenüber El Tor Biotyp Cholerastämmen zeigen LTB
und CTB einen hohen Homologiegrad mit 85%iger Konservierung von
Aminosäuren
im reifen Protein (1) und es gibt Beweise durch
kristallografische Studien, dass LTB- und CTB-Pentamere auch strukturell ähnlich sind
(Sixma und Pronk, et al., 1991, Sixma und Kalk, et al., 1993, Merritt
und Sarfaty, et al., 1994). Es gibt auch einen hohen Grad einer
immunologischen Kreuzreaktivität
zwischen den beiden Molekülen
(Svennerholm und Wickstrom, et al., 1986), trotz der Tatsache, dass
der Hauptteil der Antikörper
gegen strukturelle Merkmale von angesammelten Pentameren gerichtet
ist; ein weiterer Indikator der strukturellen Ähnlichkeit zwischen den beiden
Molekülen.
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Es
hat sich erwiesen, dass CT ein effektives orales Immunogen ist,
das zu intestinalen IgA-Reaktionen führt, die im wesentlichen gegen
die B-Untereinheit
gerichtet sind. Weiterhin hat sich erwiesen, dass die orale Verabreichung
von CTB allein effektiv ähnliche
Reaktionen stimuliert und insbesondere hat es sich erwiesen, dass
beim Menschen CTB ein starkes Immunogen in Abwesenheit von entweder
Adjuvans oder toxischen Wirkungen des Holotoxins ist. Diese Reaktionen
sind mit einem Schutz auf hohem Niveau, wenn auch von relativ kurzer
Zeitdauer (ca. 6 bis 9 Monate) gegen eine Aussetzung oder natürliche Infektion
gegenüber
Vibrio cholerae verantwortlich sowie für ein sehr viel länger anhaltendes
immunologisches Gedächtnis
(Svennerholm und Sack, et al., 1982, Svennerholm und Gothefors,
et al., 1984, Svennerholm und Jertborn, et al., 1984, Clemens und
Sack, et al., 1990, Quiding und Nordström, et al., 1991).
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Es
scheint, dass die Antitoxin-Antikörper in ihrer Schutzwirkung
synergistisch mit intestinalen IgA-Antikörpern wirken, die gegen mit
Bakterienzellen assoziierte Antigene gerichtet sind, wie z.B. Lipopolysaccharid (LPS)
von V. cholerae O1 (Svennerholm und Holmgren, 1976) oder des neuen
Serotyps O139 (J. Holmgren, et al., nicht veröffentlicht). Basierend auf
diesen Feststellungen wurde ein orales Vaccin gegen Cholera entwickelt,
bestehend aus CTB zusammen mit abgetöteten ganzen Zellen von V.
cholerae O1 (Holmgren und Svennerholm, et al., 1992), was zu einem
Schutz geführt
hat, der etliche Jahre anhält
(Clemens und Sack, et al., 1990) und das zur Zeit modifiziert wird,
um auch Zellen des O139-Serotyps einzuschließen.
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Groß angelegte
Feldversuche des B-Untereinheit-O1-Gesamtzellvaccins in Bangladesh
demonstrierten zusätzlich
zu dem gegen Cholera beobachteten Langzeitschutz signifikanten Kurzzeitkreuzreaktionsschutz
gegen eine ETEC-Infektion
aufgrund der CTB-Komponente (Clemens und Sack, et al., 1988(a)).
Ein solcher Schutz gegen ETEC, der von dem Choleravaccin vermittelt
wurde, wurde darauffolgend in einer Studie an finnischen Touristen
bestätigt,
die nach Marokko reisten (Peltola und Siitonen, et al., 1991). Basierend
auf diesem wurde ein Vaccin mit einem breiteren Spektrum gegen ETEC
entwickelt, worin CTB zusammen mit abgetötetem E. coli verwendet wird,
der die Hauptkolonisierungsfaktor-Antigene exprimiert, die an der
Adhäsion an
das Intestinalepithel beteiligt sind (Svennerholm und Århen, et
al., 1991). Die E. coli-Stämme
wurden eingeschlossen, um eine Immunität gegen ETEC-Stämme bereitzustellen,
die hitzestabile Enterotoxine (STa) entweder allein oder zusammen
mit LT freisetzen.
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In
Bereichen, wo sowohl Cholera als auch ETEC endemisch sind, wäre es wünschenswert,
ein einzelnes Vaccin zu haben, das gegen beide Infektionen effektiv
schützen
könnte.
Dies könnte
teilweise erreicht werden, indem der Schutz gegen ETEC, der von
der CTB-Komponente des bereits zugelassenen Choleravaccins bereitgestellt
wird, zu erhöhen.
Obwohl LTB und CTB signifikante immunologische Kreuzreaktivität zeigen,
ist die Neutralisierung von LT durch Serum von CTB-immunisierten
Individuen nicht so effektiv wie dasselbe Serum bei der Neutralisierung
von CT ist (Åhren
und Wennerås,
et al., 1993). Demgegenüber
ist bekannt, dass Antiseren gegen LT oder LTB mit einem höheren Titer
mit LT reagieren als mit CT (Svennerholm und Holmgren, et al., 1983).
Es ist daher möglich,
dass einige neutralisierende Epitope in LTB und CTB nicht vorliegen
und umgekehrt. Dies wird weiter durch die Identifizierung von LTB-spezifischen
neutralisierenden Antikörpern
angezeigt (Svennerholm und Wickström, et al., 1986).
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Der
Einschluss von CTB sowohl in Cholera als auch ETEC-Vaccine hat zu
der Entwicklung eines Expressionssystems für die Überproduktion von rekombinantem
Protein geführt,
das in großen
Mengen und in vollständiger
Abwesenheit der toxischen CTA-Untereinheit erzeugt werden kann (Sanchez
und Holmgren, 1989, Lebens und Johansson, et al., 1993).
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Dies
hat auch einen Weg zu relativ einfachen Verfahren für die genetische
Modifikation von CTB im wesentlichen für die Erzeugung von Proteinfusionen,
die Fremdpeptid-Antigene tragen, eröffnet.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf einer Modifikation des Strukturgens,
das CTB kodiert durch ortsgerichtete Mutagenese, resultierend in
Hybridproteinen, worin die LTB-spezifischen Epitope in Proteine
eingeführt
wurden, die im wesentlichen CTB verblieben, wodurch solche Hybridmoleküle erzeugt
wurden, die LTB-spezifische Epitope zusätzlich zu kreuzreaktiven und
CTB-spezifischen trugen, um die immunologische Kreuzreaktivität zu erhöhen. Solche
Hybrid-CTB/LTB-Moleküle
wurden entwickelt, um ein Vaccin mit einem breiteren Spektrum für die Verhinderung
oder Behandlung enterotixischer Krankheiten bereitzustellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft in einem Aspekt ein Hybridmolekül zwischen
hitzelabiler Enterotoxin-B-Untereinheit (LTB) und Choleratoxin-B-Untereinheit (CTB),
dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül eine Aminosäuresequenz
umfasst, die aus der Aminosäuresequenz
von reifem CTB besteht, worin Aminosäurereste durch die korrespondierenden
Aminosäurereste
von reifem LTB substituiert sind, die LTB-spezifische Epitopeigenschaften
an das immunogene reife CTB verleihen, so dass das Molekül LTB-spezifische
Epitope zusätzlich
zu den CTB-spezifischen Epitopen trägt.
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In
einem anderen Aspekt ist die Erfindung auf ein Hybridmolekül zwischen
hitzelabiler Enterotoxin-B-Untereinheit (LTB) und Choleratoxin-B-Untereinheit
(CTB) gerichtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül eine Aminosäuresequenz
umfasst, die aus der Aminosäuresequenz
von reifem LTB besteht, worin solche Aminosäurereste mit den korrespondierenden
Aminosäureresten
von reifem CTB substituiert sind, die CTB-spezifische Epitopeigenschaften
an das immunogene reife LTB verleihen, so dass das Molekül CTB-spezifische Epitope
zusätzlich
zu den LTB-spezifischen Epitopen trägt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Hybridmolekül
der Erfindung eine Aminosäuresequenz
auf, die aus der Aminosäuresequenz
von reifem CTB besteht, worin die Aminosäurereste an den Positionen
1, 94 und 95 durch die korrespondierenden Aminosäurereste von LTB ersetzt sind.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
weist das Hybridmolekül
der Erfindung eine Aminosäuresequenz
auf, die aus der Aminosäuresequenz
von reifem CTB besteht, worin die Aminosäurereste in den Positionen
1 bis 25 durch die korrespondierenden Aminosäurereste von LTB ersetzt sind.
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Die
Aminosäuresequenzen
von reifem CTB und reifem LTB sind in 1 dargestellt
und beginnen mit Aminosäure
+1. Korrespondierende Strukturgene sind in derselben Figur dargestellt.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist auf ein Strukturgen gerichtet,
das für
ein Hybridmolekül
gemäß der Erfindung
kodiert. Weiter ist die Erfindung auf ein Plasmid gerichtet, das
ein solches Strukturgen enthält.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf ein immunogenes Protein
gerichtet, das ein Hybridmolekül
gemäß der Erfindung
umfasst.
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In
einer Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung ist das immunogene Protein ein Fusionsprotein
des Hybridmoleküls
der Erfindung und einer immunoreaktiven Aminosäuresequenz von oder aus einer prokaryotischen
oder eukaryontischen Zelle oder einem Virus.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf ein Vaccin gerichtet,
das als immunisierenden Bestandteil eine immunologisch wirksame
Menge eines immunogenen Proteins gemäß der Erfindung umfasst. Vorzugsweise
ist das Vaccin gegen Enterotoxin-induzierte Krankheiten, wie z.B.
Diarrhoe, gerichtet.
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Das
B-Untereinheitshybrid der Erfindung ist für seine Verwendung bei der
Verhinderung oder Behandlung von Enterotoxin-induzierten Krankheiten
bei einem Individuum (Tier oder Menschen) beabsichtigt, umfassend
die Verabreichung einer immunologisch wirksamen Menge eines immunogenen
Proteins gemäß der Erfindung
an das Individuum.
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Gemäß der Erfindung
wird so ein immunogenes Protein der Erfindung zur Verwendung in
einem Impfverfahren eines Individuums bereitgestellt.
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Die
Erfindung stellt auch die Verwendung eines immunogenen Proteins
der Erfindung für
die Herstellung eines Medikaments zur Verhinderung oder Behandlung
von Enterotoxin-induzierten Krankheiten bei einem Individuum bereit.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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1:
Vergleich zwischen den Sequenzen von LTB von einem menschlichen
ETEC-Isolat (Leong, et al., 1985) und CTB (M. Lebens, nicht veröffentlicht).
Für Unterschiede,
die zu Aminosäureveränderungen
führen,
ist der Rest an der korrespondierenden Position von LTB oberhalb
der DNA-Sequenz angegeben. Nummern unterhalb der CTB-Aminosäuresequenz
geben die Position von Aminosäureresten
in den reifen CTB- und LTB-Proteinen an.
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2: Plasmide, die CTB/LTB-Hybride kodieren.
In beiden Plasmiden werden die ctxB-abgeleiteten Gene von dem tac-Promotor
exprimiert. a) pML-LCTBtacA wurde durch Insertion eines Gens erzeugt,
worin das SacI/AccI-Fragment
von pML-LCTBtac1 (21) durch synthetische Oligonukleotide ersetzt
wurde, kodierend die ersten 25 Aminosäuren von LTB. Der Rest des
ctxB-Gens war unverändert.
Das Plasmid trägt
das LTB-Signalpeptid und die Ribosomen-Bindungssequenzen, b) pML-LCTBtacB wurde
aus pML-CTBtac durch PCR-gerichtete Mutagenese erzeugt, worin eine
einzigartige EcoRI-Stelle eingeführt
wurde und die Aminosäuren
an den Positionen 94 und 95 wurden verändert, um zu der entsprechenden
Position in LTB zu korrespondieren. Das Plasmid trägt das CTB-Signalpeptid
und die lambda-Zellribosomen-Bindungssequenz. Veränderte Sequenzen
sind in Kästchen
dargestellt. Sequenzen zeigen nur die relevanten Regionen der Hybridgene.
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3:
IgG-Antikörperreaktion
auf eine ip-Immunisierung mit entweder rCTB, rLTB oder den CTB/LTB-Hybridproteinen
LCTBA (A) oder LCTBB (B) nach jeder von drei Immunisierungen (Gruppen
1,2 bzw. 3). Titer sind das Mittel von zwei Mäusen und wurden durch GM1-ELISA,
wie beschrieben in Material und Methoden, bestimmt.
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4:
Wirkung der Absorption mit CTB auf Titer von CTB- und LTB-reaktiven
Antikörpern
in Seren von Mäusen,
erhalten nach drei Immunisierungen mit entweder rCTB, rLTB oder
den CTB/LTB-Hybridproteinen LCTBA oder LCTBB.
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Herstellung der Hybrid-CTB/LTB-Moleküle der Erfindung
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Die
Hybrid-CTB/LTB-Moleküle
der Erfindung können
gemäß dem auf
dem Gebiet zur Erzeugung von Peptiden und Proteinen bekannten Verfahren
hergestellt werden, wie z.B. Gentechnik und/oder Peptidsynthese,
z.B. gemäß Merrifield.
Um die Präparation
solcher Moleküle
zu illustrieren, wurden zwei Hybrid-CTB/LTB-Moleküle der Erfindung
wie folgt hergestellt.
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Erzeugung von Hybrid-CTB/LTB-Molekülen
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Die
zwei in der Erfindung gegenwärtig
verwendeten Hybridtoxingene wurden aus zwei unterschiedlichen CTB-Expressionsvektoren
erzeugt. In dem ersten wurden die Modifikationen durch Insertion
von synthetischen Oligonukleotiden zwischen geeigneten Restriktionsstellen
innerhalb des ctxB-Gens erreicht und in dem zweiten wurden die Mutationen
durch Verwendung von spezifischen Primern bei der PCR-Amplifikation
des gesamten Plasmids, wie vorher beschrieben, erzeugt (Schödel und
Milich, et al., 1991). Die zwei resultierenden Plasmide waren pML-LCTBtacA
und pML-LCTBtacB, die die modifizierten ctxB-Gene trugen, deren
Sequenzen durch DNA-Sequenzierung bestätigt wurden und in 2 angegeben sind. Das Hybridprotein LCTBA,
exprimiert durch pML-LCTBtacA, ist zu LTB in seinen ersten 25 Amiosäuren und
danach zu CTB identisch. Dasjenige, das durch pML-LCTBtacB exprimiert
wird und als LCTBB bezeichnet wird, ist so verändert, dass es zu LTB an den
Positionen 1, 94 und 95 korrespondiert, jedoch ansonsten zu nativem
CTB von einem klassischen O1 V. cholerae Stamm 395 identisch ist.
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Die
Hybridproteine wurden in dem V. cholerae Stamm JS1569 exprimiert,
was zu einer Anhäufung
der Produkte im Wachstumsmedium führte, woraus sie durch Hexametaphosphat-Präzipitation,
gefolgt von HPLC, gereinigt werden konnten.
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Die
Proteine erschienen auf der Grundlage von SDS PAGE als identisch
zum Kontroll-CTB-Protein im Fall von LCTBA, schienen jedoch im Fall
von LCTBB mehr wie LTB, insbesondere in monomerer Form, zu laufen.
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Antigenanalyse der CTB/LTB-Hybride
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Die
zwei Hybridproteine wurden teilweise aus dem Wachstumsmedium von
V. cholerae gereinigt, der die respektiven Expressionsvektoren trug
und ei ner Vielzahl unterschiedlicher Assays unterzogen, um ihre
antigenen Eigenschaften im Vergleich mit nativem CTB und LTB zu
bestimmen.
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Anfänglich fixierte
Konzentrationen der unterschiedlichen Proteine wurden mit unterschiedlichen
CTB- oder LTB-spezifischen Antikörpern
in GM1-ELISA titriert.
Das Verfahren würde
Affinitätsunterschiede
für einen oder
beide von dem GM1-Rezeptor und den unterschiedlichen Nachweisantikörpern messen,
jedoch haben wir bereits vorher gezeigt, dass die unterschiedlichen
Proteine identisch an GM1 binden und dass die Unterschiede daher
Antikörperspezifisch
waren (Ergebnisse nicht dargestellt). Die Ergebnisse sind in Tabelle
1 dargestellt. Es kann daraus abgelesen werden, dass das Profil
der Titer, die für
einen Bereich von sowohl monoklonalen Antikörpern als auch adsorbierten
polyklonalen Antiseren erhalten wurden, zwischen Hybrid und nativen
Proteinen differieren können.
Die Ergebnisse zeigen an, dass das Hybridprotein LCTBA LTB-spezifische Epitope
angenommen hat, die auf der Basis von Reaktionen mit monoklonalen
Antikörpern
erkannt werden können;
insbesondere Epitope, die von den LTB-spezifischen monoklonalen
Antikörpern
LT33:8 und LT80:7 erkannt werden. Es reagiert jedoch immer noch
mit dem CTB-spezifischen Antikörper
CTWi. Dies wurde auch in Westernblots nachgewiesen.
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Im
Fall von LCTBB zeigte keiner der monoklonalen Antikörper, die
verwendet wurden, irgendwelche Veränderungen in der Antigenizität des Hybridmoleküls. Hierfür gibt es
zwei mögliche
Erklärungen:
eine ist diejenige, dass die relativ geringe Anzahl von Veränderungen
im Molekül
ein Screening mit einem größeren Bereich
von Antikörpern
nötig macht,
um einen zu finden, der eine Affinität für das besondere Epitop demonstrieren
würde.
Alternativ könnten
Assays, die auf GM1-ELISA basieren, keine Veränderungen im Bereich des Moleküls nachweisen,
die innerhalb der GM1-Bindungsstelle versteckt liegen.
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Immunisierungen
mit Hybridproteinen führen
zu kreuzreaktiven Antiseren.
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Folgend
auf die Immunisierung mit entweder LTB, CTB oder den unterschiedlichen
Hybridmolekülen wurden
die resultierenden Seren im Hinblick auf ihre Niveaus von Gesamt-Antikörpern gegen
LTB und CTB und darauffolgend auf die Niveaus von LTB-spezifischen
Antikörpern
hin analysiert.
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3 zeigt
die Niveaus der Antikörper
gegen CTB und LTB nach jeder der drei Immunisierungen. Vor der ersten
Immunisierung gab es keine nachweisbaren Titer gegen irgendeine
B-Untereinheit bei irgendeiner der überprüften Mäuse. In den Fällen von
CTB und beiden Hybridproteinen waren die Titer gegen CTB konsistent
höher als
diejenigen gegen LTB. Bei den Mäusen,
die mit LTB immunisiert worden waren, war die Situation umgekehrt.
Bei mit CTB oder dem LCTBB-Hybridmolekül immunisierten Mäusen gab
es keine signifikanten Unterschiede zwischen den gegen CTB und LTB
nach den ersten und zweiten Immunisierungen erhaltenen relativen
Titer. In beiden Fällen
war der CTB-Titer deutlich höher
als der gegen LTB. Bei mit LCTBA immunisierten Mäusen waren jedoch die Niveaus
der Titer gegen LTB und CTB ähnlicher
zueinander. Dies lag an einem erhöhten Niveau von Anti-LTB-Antikörpern und
einem erniedrigten Niveau an Anti-CTB-Antikörpern im Vergleich mit den
CTB- und LCTBB-immunisierten
Mäusen.
Nach der dritten Immunisierung kann gezeigt werden, dass bei beiden
Gruppen mit Mäusen,
die mit den Hybridmolekülen
immunisiert wurden, die Anti-CTB-Titer ähnlich zu denjenigen bei Mäusen sind,
die mit CTB immunisiert wurden, dass jedoch die Anti-LTB-Niveaus höher liegen.
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Wenn
Gesamtseren im Hinblick auf Titer von Antikörpern gegen LTB oder CTB überprüft wurden,
ist die Überprüfung durch
die Gegenwart von kreuzreaktiven Antikörpern unschärfer. Um zu bestimmen, ob die
in den unterschiedlichen Seren beobachteten Unterschiede auf Veränderungen
der Niveaus von LTB-spezifischen Antikörpern zurückzuführen waren, wurden die nach
der dritten Immunisierung genommenen Seren mit CTB-Sepharose adsorbiert,
um sowohl kreuzreaktive als auch CTB-spezifische Antikörper zu
entfernen. Sie wurden dann im Hinblick auf Anti-CTB und Anti-LTB-Titer überprüft. Die
Ergebnisse sind in 4 dargestellt. Es kann festgestellt
werden, dass die Behandlung effektiv alle Anti-CTB-Antikörper aus
den Seren entfernt. In mit CTB immunisierten Mäusen ist der gesamte beobachtete
Anti-LTB-Titer auf kreuzreaktive Antikörper zurückzuführen und nach der Adsorption
verbleiben keine LTB-reaktiven Antikörper. Im Fall von sowohl LCTBA als
auch LCTBB verbleiben signifikante Anti-LTB-Titer, obwohl diese
nicht so hoch sind wie bei Mäusen,
die mit LTB immunisiert wurden. Es wird deutlich, dass die in das
CTB-Molekül
eingeführten
Mutationen eine immunologische Wirkung aufweisen, die zu LTB-spezifischen
Antikörpern
führen.
Es ist auch klar, dass in LCTBA, wo sieben Substitutionen im CTB-Molekül durchgeführt wurden,
die Wirkung größer ist
als bei LCTBB, wo es nur drei Substitutionen gab.
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Neutralisierung von CT
und LT durch unterschiedliche B-Untereinheits-Antiseren
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Die
unterschiedlichen Antiseren wurden in einem in-vitro-Assay im Hinblick
auf ihre Fähigkeit
zur Neutralisierung von entweder LT oder CT hin überprüft. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 2 dargestellt. Unter den in dem Assay verwendeten Bedingungen
waren die CTB- und LTB-Antiseren nur leicht kreuzreaktiv. Das LTB-Antiserum
neutralisierte CT bei keiner Verdünnung innerhalb des verwendeten
Bereichs, während
CTB-Antiserum eine leichte Wirkung auf LT aufwies. Demgegenüber hatten
Antiseren gegen jedes der beiden Hybridmoleküle eine signifikante neutralisierende
Aktivität
gegen sowohl CT als auch LT. Selbst nach vollständiger Absorption der CT-neutralisierenden
Aktivität
der Antiseren mit CTB gab es immer noch eine signifikante LT-neutralisierende
Aktivität.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die im CTB-Molekül durchgeführten Substitutionen neutralisierende
LTB-Epitope einführen,
während
sie gleichzeitig die CT-neutralisierenden Epitope beibehalten. Es ist
signifikant, dass das Niveau der neutralisierenden Aktivität, das gegen
LT durch Antiserum von Mäusen, immunisiert
mit LCTBB, demonstriert wurde, fast mit demjenigen vergleichbar
ist, das bei Serum von LCTBA-immunisierten Mäusen angetroffen wird, trotz
der Gegenwart von nur niedrigen Niveaus von LTB-spezifischen Antikörpern, wie
getestet mit GM1-ELISA. Dies legt nahe, dass die Aminosäuren an
den Positionen 94 und 95 der B-Untereinheitsstruktur einen Teil
eines starken neutralisierenden Epitops bilden, das bei oder nahe der
Rezeptor-Bindungsstelle lokalisiert sein könnte.
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Zusammenfassung der Ergebnisse,
die im experimentellen Teil der Beschreibung präsentiert werden
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Die
präsentierten
Arbeiten beschreiben die Synthese und Analyse von zwei Hybrid-B-Untereinheits-Toxinmolekülen, die
im wesentlichen aus CTB bestehen, worin Mutationen mit veränderten
spezifischen Aminosäureresten
eingeführt
wurden, um den korrespondierenden Positionen bei menschlichem LTB
zu entsprechen. Es hat sich erwiesen, dass die zwei Proteine auf
hohem Niveau exprimiert werden und die essenziellen Eigenschaften
von sowohl CTB als auch LTB beibehalten. Beide ordneten sich zu
Pentameren an und beide banden an GM1-Gangliosid. Zusätzlich reagierten
beide Moleküle ähnlich zu
Wildtyp-CTB und -LTB mit dem kreuzreagierenden monoklonalen Antikörper LT39
und reagierten auch stark mit polyklonalen Antiseren gegen entweder
CTB oder LTB. In Reaktionen mit anderen LTB- oder CTB-spezifischen
monoklonalen Antikörpern
konnten jedoch Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Proteinen
gemacht werden, die nahe legten, dass die neuen Proteine tatsächlich Epitope
trugen, die für
jedes der Wildtyp-Proteine auf demselben Molekül spezifisch waren. Dies wurde
weiter durch Immunisierungsexperimente illustriert, die eine erhöhte Kreuzreaktivität von Seren
demonstrierten, erhalten von Tieren, die mit den Hybrid-Proteinen
immunisiert wurden. Es wurde demonstriert, dass in dem CHO-Zelltoxin-Neutralisierungsassay
Antiseren gegen die Hybridmoleküle
LT effektiver neutralisierten als Antiserum gegen CTB allein und
dass diese Aktivität
durch CTB nicht wegabsorbiert werden konnte.
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Die
zwei Hybridmoleküle,
die in der gegenwärtigen
Arbeit verwendet wurden, wurden erzeugt, um die Wirkung von Mutationen
in unterschiedlichen Regionen des CTB-Moleküls zu illustrieren. In dem
ersten Konstrukt wurde der Aminoterminus von CTB verändert, während in
dem zweiten zwei Reste in einer Stellung nahe dem Carboxyterminus
verändert
wurden, von der angenommen wird, dass sie an der Substratspezifität der Rezeptorbindung
beteiligt ist. Die Mutation Thr→Ala
an Position 1 von LCTBB wurde in der gegenwärtigen Arbeit nicht untersucht.
Das für
Kontrollen verwendete rekombinante CTB wurde aus einem Expressionssystem
erzeugt, das vorher beschrieben wurde (Lebens und Johansson, et
al., 1993) und trug auch diese Mutation, von der bereits vorher
gezeigt wurde, dass sie keine immunologische Signifikanz aufweist.
(Lebens und Johansson, et al., 1993 und M. Lebens und J. Holmgren,
nicht veröffentlicht).
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Aus
den Ergebnissen wird deutlich, dass die ausgedehntere Veränderung
am Aminoterminus von CTB zu stärker
LTB-spezifischen Antikörpern
führt (wie
definiert durch GM1-ELISA-Antikörpertiter,
die nicht durch CTB-Sepharose wegabsorbiert wurden), im Vergleich
mit den zwei-Rest-Veränderungen
an den Positionen 94 und 95 des reifen Proteins, die zu nachweisbaren,
aber sehr niedrigen Anti-LTB-spezifischen GM1-ELISA-Titern führten. von
besonderem Interesse war daher die Feststellung, dass die Neutralisierung
von LT (und CT) durch Antiseren zu den zwei mutierten B-Untereinheiten
in der CHO-Zelle ähnlich
war. Dies legt nahe, dass trotz der anscheinenden niedrigeren Titer
von LTB-spezifischen Antikörpern,
erzeugt durch das zweite Hybrid, die Antikörper eine äquivalente neutralisierende
Wirkung aufwiesen, was anzeigt, dass die beiden Reste, die betroffen
sind, innerhalb eines neutralisierenden Epitops liegen. Es wird
weiter deutlich, dass es mehr als ein solches neutralisierendes
Epitop auf den B-Untereinheitsmolekülen gibt, da keine der Mutanten
die Fähigkeit zum
Neutralisieren von CT verliert, trotz der Wahrscheinlichkeit, dass
einige CTB-spezifische neutralisierende Epitope als Ergebnis der
Substitutionen verloren gegangen sein könnten.
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Die
Kreuzreaktivität
der mutierten CTB-Moleküle
könnte
spezifischen Veränderungen
zugeschrieben werden, die erzeugt wurden, da diese zu LTB-spezifischen Antikörpern führten, die
von einer CTB-spezifischen Immunosorbententfernung nicht betroffen
waren, wie auch allen kreuzreaktiven Antikörpern, die zu einem vollständigen Verlust
von CT-neutralisierender Akti vität
im CHO-Zell-Assay führten.
Die LT-neutralisierende Aktivität
wurde jedoch beibehalten.
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Aus
diesen Untersuchungen wird deutlich, dass Hybridmoleküle, die
sowohl CTB- als auch LTB-spezifische neutralisierende Epitope enthalten,
erzeugt werden können.
Zusätzlich
ermöglicht
das kürzlich
beschriebene Überexpressionssystem
für CTB,
dass diese Proteine in großen
Mengen erzeugt werden können. Auf
diese Weise werden solche Moleküle
nun für
ihre Inkorporation entweder in getrennten Cholera- und ETEC-Vaccinen
oder in ein einzelnes Breitspektrum-Vaccin bereitgestellt, das so
entworfen ist, dass es einen signifikanten Schutz gegen beide Arten
von Diarrhoe-Erkrankungen gibt.
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Material und
Methoden
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Bakterielle
Stämme
und Plasmide
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Die
in der gegenwärtigen
Arbeit für
die Erzeugung von rekombinantem CTB (rCTB) und LTB (rLTB) und mutierten
Derivaten verwendeten Stämme
waren der O1 E1 Tor V. cholerae Stamm JBK70 (Kaper und Lockman,
et al., 1984), und der klassische 01 V. cholerae Stamm JS1569 (Lebens
und Johansson, et al., 1993). Stämme,
die die geeigneten rekombinanten Plasmide trugen, wurden – eingefroren
in einem Medium mit 20% Glycerin – bei –70°C gelagert. Die Kulturen wurden
durch Ausstreichen jedes Stamms auf L-Agar, supplementiert mit Ampicillin,
100 μg/ml,
wiederbelebt.
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Plasmide,
die in der gegenwärtigen
Studie erzeugt wurden, sind in 2 dargestellt.
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DNA-Manipulation
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Die
Manipulation der DNA, einschließlich
der Plasmid-Präparation,
der Verwendung von Restriktionsenzymen, einer DNA-Ligation und einer
Agarosegelelektrophorese wurden gemäß den Standardverfahren durchgeführt, die
im wesentlichen von Sambrook und Fritsch, et al. (1989) beschrieben
werden. Restriktionsenzyme wurden in Puffern verwendet, die von
den Herstellern zur Verfügung
gestellt wurden. Die Oligonukleotide für die Insertion in Plasmide
durch Ligation oder für
die Vervielfältigung
unter Verwendung von PCR wurden von Innovagen AB, Schweden, erhalten.
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Es
wurde eine PCR verwendet, um Mutationen in ein Plasmid-getragenes
ctxB-Gen gemäß dem von Schödel und
Milich, et al. (1991) beschriebenen Verfahren einzuführen. Die
DNA-Sequenzierung wurde unter Verwendung des Sequenase, Version
2.0 Kits, erhalten von Amersham (UK) durchgeführt.
-
Herstellung von CTB und
LTB und ihren mutierten Derivaten
-
Rohe
rCTB und ihre Derivate wurden aus dem Stamm V. cholerae JS1569 hergestellt,
der das relevante Expressionsplasmid trug. LTB wurde aus dem V.
cholerae Stamm JBK70 hergestellt, der das Expressionsplasmid pMMB68
trug (Sandgvist und Hirst, et al., 1987).
-
Die
Kulturen wurden auf modifizierter Syncase (Lebens und Johansson,
et al., 1993) angezüchtet
und das im Medium akkumulierte CTB oder LTB wurde durch Hexametaphosphatpräzipitation,
wie vorher beschrieben, gewonnen (Lebens und Johansson, et al.,
1993). Die Konzentration der B-Untereinheit, wie erhalten, wurde
durch GM1-ELISA bestimmt (Svennerholm und Holmgren, 1978) und zwar
unter Verwendung des kreuzreaktiven monoklonalen Antikörpers LT39.
-
Ein
Verfahren zur weiteren Reinigung von LTB- und CTB-Derivaten wurde
unter Verwendung von HPLC entwickelt. Hexametaphosphatpräzipitate
werden in 20 mM Tris-HCl bei pH 9 wieder suspendiert. Die resultierende
Suspension wurde dann bei 10.000 Upm 3 Minuten zentrifugiert und
der Überstand,
der die B-Untereinheit-enthielt, wurde durch einen 0,2 m sterilen
Filter gefiltert. HPLC wurde auf einem Waters 600 Multisolvent Delivery
System (Millipore Corp., USA) unter Verwendung einer DEAE Mem-Sep
HP1000-Säule (Millipore
Corp., USA) durchgeführt.
Die B-Untereinheiten wurden zunächst
an die Säule
bei pH 9 (20 mM Tris-HCl) gebunden, und von der Säule mit
0,16 M (für
LCTBA) oder 0,18 M (für
LCTBB) Natriumacetat bei pH 8 eluiert.
-
In-vitro-Antigenizität und Proteinanalyse
-
Vertiefungen
von Polystyrol-ELISA-Platten wurden mit 100 μl 0,3 nmol/ml GM1 Gangliosid
6 Stunden bei Raumtemperatur beschichtet und bei 4°C bis zur
Verwendung erhalten. Die beschichteten Platten wurden zunächst mit
zwei Veränderungen
von PBS gewaschen und mit phosphatgepufferter Salzlösung, pH
7,2 (PBS), 0,1% (G/V) Rinderserumalbumin (BSA) 30 Minuten bei 37°C blockiert.
Lösungen
von 25 ng/ml von jeder B-Untereinheitspräparation wurden durch Verdünnung konzentrierter
Ausgangslösungen
in PBS, 0,1% BSA, erhalten. 100 ml Aliquots dieser verdünnten Proben
wurden verwendet, um die blockierten Platten durch Inkubation für 1 Stunde
bei Raumtemperatur zu beschichten.
-
Unterschiedliche
Antikörperlösungen wurden
dann der ersten Reihe der Platten zugefügt und mit 5fachen seriellen
Verdünnungen
titriert. Die an die B-Untereinheiten gebundenen Antikörper wurden
dann mit einem sekundären
Anti-Maus- oder Anti-Kaninchen-Immunglobulin, konjugiert mit Meerrettichperoxidase (HRP)
(Jackson, Pa., USA) nachgewiesen. Nach Inkubation bei Raumtemperatur
für 1 Stunde
wurde die Bindung der Antikörper
unter Verwendung des chromogenen Substrats o-Phenylendiamin (OPD)
und H2O2 in Citratpuffer
(pH 4,5), wie vorher beschrieben, (Svennerholm und Holmgren, 1978)
nachgewiesen. Die Platten wurden dreimal mit PBS, 0,05% Tween zwischen
jedem Schritt gewaschen. Die Titer wurden als reziproke Verdünnung, die
eine Absorption bei 450 nm von 0,4 überhalb des Hintergrunds nach
einer Reaktionszeit von 10 Minuten gibt, bestimmt.
-
Die
SDS-Polyacrylamid-Elektrophorese und Elektrotransfer von gelösten Proteinen
auf Nitrocellulose wurde unter Verwendung des Mini-Protean II-Apparats, erhalten
von Biorad (CA, USA) unter den von den Herstellern empfohlenen Bedingungen
durchgeführt.
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Immunisierungen von Mäusen
-
Paare
von C57/Black-Mäusen
wurden dreimal intraperitoneal mit entweder CTB, LTB oder den mutierten
CTB-Derivaten immunisiert. Die beiden ersten Dosen enthielten 10
mg B-Untereinheit, verabreicht in 200 ml enthaltend Freunds inkomplettes
Adjuvans, und wurden mit 10 Tagen Abstand verabreicht. Die dritte
Dosis der 20 mg B-Untereinheit wurde ohne irgendein Adjuvans 14
Tage nach der zweiten Dosis verabreicht. Den Mäusen wurde vor den ersten beiden
Dosen Blut entnommen und sie wurden 7 Tage nach der dritten Dosis geopfert,
woraufhin das Blut für
die Analyse gesammelt wurde. Die Seren wurden hergestellt und bis
zur Verwendung bei –20°C gelagert.
-
Serumtiter-Bestimmung
-
Die
von den Immunisierungen erhaltenen Seren wurden durch GM1-ELISA
(Svennerholm und Holmgren, 1978) getestet. Direkt vor der Verwendung
wurden GM1-beschichtete Platten zunächst zweimal mit PBS gewaschen
und dann mit PBS, 0,1% BSA bei 37°C
für 30
Minuten blockiert. Die Platten wurden dann in zwei Gruppen unterteilt.
100 μl CTB,
0,5 μg/ml
in PBS, 0,1% BSA wurde zu den Vertiefungen der ersten Gruppe der Platten
zugefügt
und 100 μl
LTB, 0,5 μg/ml
in PBS, 0,1% BSA wurde zu den Vertiefungen der zweiten Gruppe zugefügt. Die
Platten wurden dann bei Raumtemperatur eine Stunde inkubiert und
dreimal mit PBS, 0,05% Tween gewaschen. 100 μl einer Lösung PBS, 0,1% BSA, 0,05% Tween
wurde dann allen Vertiefungen außer denjenigen in der ersten
Reihe zugefügt.
Zu Vertiefungen in der ersten Reihe wurden 150 ml Aliquots von 1/1000
Verdünnungen
der Seren in PBS, 0,1% BSA zugefügt.
Diese wurden dann mit seriellen Dreifach-Verdünnungen austitriert und bei
Raumtemperatur 1 Stunde inkubiert. Nach drei Waschschritten mit
PBS, 0,05% Tween wurden an CTB und LTB gebundene Antikörper durch
Inkubation mit Anti-Maus-IgG,
konjugiert mit HRP (Jackson, Pa., USA) bewertet. Das chromogene Substrat
war OPD und die Titer wurden auf dieselbe Weise für die Bestimmung
der oben beschriebenen in-vitro-Antigenizität berechnet.
-
CT8-Antikörper-Absorption
-
Die
Seren wurden mit CTB-Sepharosekügelchen
absorbiert, um sowohl CTB-spezifische Antikörper als auch Antikörper, die
mit LTB kreuzreagieren würden,
zu entfernen. CTB-Sepharose wurde durch kovalente Bindung von CTB-Pentameren
an Cyanogenbromid-aktivierte Sepharose (Pharmacia AB, Schweden)
gemäß den Anweisungen
des Herstellers hergestellt.
-
Die
Seren wurden zunächst
1:10 in PBS verdünnt.
100 μl dieser
Verdünnung
wurde in einem Mikrozentrifugenröhrchen
mit 50 μl
Sepharose-CTB-Kügelchen
mit abwechselndem Schütteln
für 1 Stunde
bei Raumtemperatur inkubiert. Sie wurden dann bei 9000 Upm in einer
Benchtop-Mikrozentrifuge 2 Minuten zentrifugiert und der Überstand
wurde wiedergewonnen. Das Verfahren wurde dann wiederholt. Absorbierte
Seren wurden, wie oben beschrieben, gegen CTB und LTB durch GM1-ELISA überprüft.
-
Toxia-Neutralisierungstests
-
Die
nach der dritten Immunisierung von Mäusen mit den verschiedenen
CTB-Derivaten und LTB erhaltenen Seren wurden in einem chinesischen
Hamster-Ovar(CHO)-Zellassay (Guerrant und Brunton, et al., 1974)
im Hinblick auf ihre Fähigkeit
zur Inhibition der Toxizität
von CT oder LT vor und nach Adsorption mit CTB-Sepharose getestet.
Nicht-absorbierte Seren wurden zunächst 1:20 verdünnt. 50
ml Aliquots der resultierenden Seren wurden dann seriell im Duplikat
in Mikrotiterplatten mit Dreifachverdünnungen verdünnt. Zu
der ersten Gruppe von Duplikatvertiefungen wurden 0,2 ng CT in 50 μl HAM F12
Medium, enthaltend 1% BSA zugefügt
und zu der zweiten Gruppe wurde eine Lösung von LT im selben Medium
zugefügt.
Die Platten wurden 1 Stunde bei Raumtemperatur inkubiert, woraufhin
100 μl einer
Suspension von 2 × 105 Zellen/ml in F12 HAM Medium zu allen Vertiefungen
zugefügt
wurde. Man ließ die
Inkubation 1 Stunde bei 37°C
in einer 10% CO2, 5% O2-Atmosphäre fortschreiten.
Die Zellen wurden mit Methanol fixiert und mit Giemsa-Lösung (Merck)
gefärbt.
Die Zellen wurden im Hinblick auf Schäden durch Lichtmikroskopie überprüft. Dasselbe
Verfahren wurde auf die Seren angewandt, nachdem sie an die CTB-Sepharosekügelchen
absorbiert worden waren. Alle Experimente wurden doppelt durchgeführt.
-
Literaturliste
-
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Tabelle
1
Erzeugung von LTS-spezifischen Epitopen mit Rückhalt von
CTB-Epitopen in Hybrid-Proteinen
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