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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines aufgereinigten dimeren Knochen-morphogenetischen
Faktors. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung
eines dimeren Knochen-morphogenetischen Faktors, dadurch gekennzeichnet,
dass ein aufgereinigter dimerer Knochen-morphogenetischer Faktor
aus einem Einschlusskörper
eines Knochen-morphogenetischen Faktors erhalten wird, der mit Hilfe
eines gentechnologischen Verfahrens hergestellt wurde.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In der Knochenmatrix wurde ein proteinhaltiger
Knochen-morphogenetischer Faktor entdeckt und "Knochen-morphogenetisches Protein" genannt (im Folgenden
als BMP abgekürzt
(bone morphogenetic protein)), siehe Science 150, Seiten 893–899, 1965.
Vor kurzem wurde versucht, mehrere BMP-verwandte Gene zu klonieren,
und es wurde entdeckt, dass alle zu der Superfamilie der transformierenden
Wachstumsfaktoren β gehören (im
Folgenden als TGF-β abgekürzt). Mit
Hilfe gentechnologischer Verfahren wurden Rekombinanten einiger
dieser Faktoren hergestellt, und es wurde bestätigt, dass sie Knochen-morphogenetische
Aktivität aufweisen,
woraus man eine Anwendung in der Behandlung von Knochenkrankheiten
erwarten kann.
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Es wurde durch Tierversuche gezeigt,
dass unter diesen Faktoren das vor kurzem entdeckte und zu der humanen
BMP-Familie (Biochem. Biophys. Res. Commun., 204, Seiten 646–652, 1994)
gehörende
humane GDF-5 (MP52) als Knochenmorphogenetischer Faktor wirksam
ist, und es wurde technisch untersucht, um dessen Produktion in
großem
Maßstab
unter Verwendung von rekombinanten Escherichia coli (E. coli) weiterzuverfolgen.
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Wenn das Protein jedoch in großem Maßstab in
E. coli und anderen exprimiert wird, beispielsweise wenn das Protein
in einer Menge von mehreren Gramm pro Liter Kulturmedium produziert
wird, tendiert das gewünschte
Protein im Allgemeinen dazu, einen inaktiven und unlöslichen
Einschlusskörper
zu bilden. Dieser Einschlusskörper ist
monomer und, um ein Dimer, das als Knochen-morphogenetischer Faktor
aktiv ist, zu erhalten, muss der Einschlusskörper löslich gemacht werden, zu einem
Dimer einer ursprünglichen
Struktur renaturiert werden (dieses Verfahren wird im Allgemeinen "Faltung" genannt), abgetrennt
und aufgereinigt werden, um das gewünschte Protein zu erhalten.
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Die aktive Form von MP52 hat die
folgenden oder ähnliche
Probleme;
- 1) wegen seiner geringen Löslichkeit
in einer wässrigen
Lösung
sollte es in Gegenwart eines Denaturierungsmittels oder unter sauren
Bedingungen gehandhabt werden,
- 2) das für
die Abtrennung verwendete Protein tendiert dazu, unspezifisch auf
ein Harz für
Flüssigchromatographie
zu adsorbieren, und
- 3) das für
die Faltung essenzielle oberflächenaktive
Mittel tendiert dazu, die Abtrennung zu stören, und somit war es sehr
schwierig, ein Verfahren für
die Aufreinigung davon zu entwickeln.
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Das vor kurzem entwickelte Aufreinigungsverfahren
zur Lösung
der oben genannten Probleme (WO 96/33215), das bei dem Erhalten
einer einzigen aktiven Form von MP52 erfolgreich war, umfasst die
folgenden Schritte:
- 1. Löslich machen eines Einschlusskörpers durch
ein Denaturierungsmittel,
- 2. Abtrennen durch Ionenaustauschchromatographie,
- 3. Sulfonieren,
- 4. Abtrennen durch Gelfiltrationschromatographie,
- 5. Falten,
- 6. Gewinnen durch isoelektrische Ausfällung, und
- 7. Abtrennen durch Umkehrphasenchromatographie.
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Wenn jedoch das obige Verfahren auf
einen industriellen Maßstab
vergrößert wird,
treten die folgenden und ähnliche
Probleme auf;
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- 1) um den MP52-Einschlusskörper löslich zu machen, wird eine
große
Menge an Denaturierungsmittel verwendet, wodurch eine Modifizierung
des Proteins (beispielsweise eine Carbamylierungsreaktion im Fall
von Harnstoff) induziert werden kann,
- 2) es wird ein teures Harz für
die Chromatographie, insbesondere für die Gelfiltrationschromatographie,
wie etwa Sepharcyl S-200HR oder Superdex 200pg (alle erhältlich von
Pharmacia Biotech) in einer großen Menge
verwendet,
- 3) das bei der Faltung verwendete Reagenz, unter anderem CHAPS
und oxidiertes Glutathion, das für
die Dimerisierungsreaktion essenziell ist, ist extrem teuer, und
- 4) wenn eine isoelektrische Ausfällung durchgeführt wird,
ist eine Verdünnung
notwendig, um die Konzentration des Detergenzes zu verringern, und
somit wird das Volumen der Lösung
erhöht.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist, die
oben erwähnten
Probleme zu vermeiden, d. h.,
- 1) ein Denaturierungsmittel
in einer so geringen Menge wie möglich
zu verwenden;
- 2) ein Chromatographieharz in einer so geringen Menge wie möglich zu
verwenden;
- 3) das für
die Faltung verwendete Reagenz durch andere wenig kostenspielige
Reagenzien zu ersetzen und die mit dem Falten einhergehenden Verfahren
zu vereinfachen,
- 4) das Volumen der Lösung
zu verringern, indem ein Detergenz selektiv entfernt wird, d. h.
die Verfahrenszeit wesentlich zu verkürzen.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung
haben eine Vereinfachung der Aufreinigungsschritte durch Löslichmachen
eines Einschlusskörpers,
der in Gegenwart eines Denaturierungsmittels aus E. coli extrahiert wird,
möglich
gemacht, wobei eine direkte Faltung gemäß einem Verdünnungsverfahren
und anschließendem Unterziehen
einer Ultrafiltration unter Ersetzen der Faltungslösung durchgeführt wird.
Dieses Verfahren scheint dem ersten Schritt eines Verfahrens zur
Herstellung von humanen Insulin aus E. coli (EP 600372A1) ähnlich zu
sein. Da jedoch ein Knochenmorphogenetischer Faktor in seinen Eigenschaften
von einem löslichen
Protein wie etwa humanem Insulin verschieden ist, war es schwierig,
das Verfahren zur Herstellung von Insulin wie oben beschrieben auf
den Fall eines Knochenmorphogenetischen Faktors anzuwenden. Das
wie oben beschriebene dimerisierte MP52 (aktive Form) hat eine geringe
Löslichkeit
und tendiert dazu, auf ein chromatographisches Harz zu adsorbieren,
und daher konnte eine Ionenaustauschchromatographie oder hydrophobe
Chromatographie, die für
humanes Insulin verwendet wird, oder die in der oben erwähnten WO 96/33215
angewandte Gelfiltrationschromatographie nicht für die Herstellung in großem Maßstab angewendet werden.
Wenn ein Ionenaustauscher (SP Sepharose FF, Pharmacia Biotech) verwendet
wird, wird z. B. MP52 wegen seiner starken Adsorption an das Harz nicht
vollständig
eluiert, selbst wenn ein Denaturierungsmittel und eine maximale
Salzkonzentration verwendet werden. Wenn eine Gelfiltration (Sepharcyl
S-200HR, Pharmacia Biotech) verwendet wird, tritt eine starke Adsorption
des Proteins an das Harz auf, selbst wenn ein Denaturierungsmittel
verwendet wird, was einen übermäßig verbreiterten
Fraktionierungsbereich und somit eine sehr schlechte Abtrennung
verursacht. Des Weiteren werden die Eigenschaften des Harzes durch
den Einfluss eines oberflächenaktiven
Mittels, wie etwa CHAPS verändert,
was zu einem Verlust der Reproduzierbarkeit führt. Dies betrifft auch die
Eluierung mit einer sauren Lösung,
in der MP52 löslich
ist. Zusammenfassend ist es nicht möglich, die ursprünglichen
Eigenschaften des Harzes zu nutzen.
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Wie oben erklärt, wurde es deutlich, dass
die Aufreinigung des gewünschten
Proteins in einer Herstellung im großen Maßstab nicht gemäß allgemeinen
chromatographischen Mitteln unter Verwendung eines wässrigen
Systems erreicht werden kann. Die Umkehrphasenchromatographie unter
Verwendung organischer Lösungsmittel
ist das einzige Mittel, das angewandt werden kann. Unter diesem
Umständen
war es notwendig, einen Aufreinigungsweg zu entwickeln, bei dem
nicht viele Säulen
verwendet werden. Als Aufreinigungsmittel, das keine Säulen verwendet,
schien eine Fraktionierungsmethode mit Ammoniumsulfat vielversprechend.
Da sie jedoch eine niedrige Aufreinigungseffizienz aufwies und zu
unnötig
niedrigen Ausbeuten führte,
wurde diese Anwendung verworfen. Zusätzlich wurde ein isoelektrisches
Ausfällungsverfahren
durch pH-Regelung angewandt, aber vor dem eigentlichen Verfahren,
wurde ein Ultrafiltrationsverfahren angewandt, um ein oberflächenaktives
Mittel, CHAPS, zu entfernen, was die Durchführung der isoelektrischen Ausfällung erlaubte,
ohne das Volumen der Lösung
zu erhöhen.
Im Allgemeinen war die Proteinlöslichkeit
hoch, und es trat keine Ausfällung
auf, wenn die Lösung
CHAPS enthielt. Daher war eine Verdünnung notwendig, um die Konzentration von
CHAPS zu verringern, aber die resultierende starke Erhöhung des
Lösungsvolumens
war ein Problem bei der Entwicklung dieses Verfahrens.
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines aufgereinigten dimeren Knochen-morphogenetischen
Faktors, gekennzeichnet durch Unterziehen eines Einschlusskörpers eines
Knochen-morphogenetischen Faktors, der mit Hilfe eines gentechnologischen
Verfahrens erzeugt wurde, den folgenden Schritten a) bis e) in dieser
Reihenfolge, wobei ein dimeren Knochen-morphogenetischen Faktor
hergestellt wird;
- a) Behandeln eines Einschlusskörpers eines
Knochen-morphogenetischen Faktors mit einem Denaturierungsmittel,
um ein löslich
gemachtes Monomer zu erhalten,
- b) Behandeln des löslich
gemachten Monomers mit einer Faltungslösung und in Gegenwart einer
Verbindung mit einer Guanidinogruppe oder dem Salz davon, um einen
dimeren Knochen-morphogenetischen Faktor zu erhalten,
- c) Behandeln des dimeren Knochen-morphogenetischen Faktors mit
Ultrafiltration unter Verwendung einer Säurelösung,
- d) Unterziehen des dimeren Knochen-morphogenetischen Faktors
im so substituierten Lösungsmittel
einer isoelektrischen Ausfällung,
und
- e) Unterziehen des so ausgefällten
dimeren Knochen-morphogenetischen Faktors einer Umkehrphasenchromatographie.
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Der mit Hilfe gentechnologischer
Verfahren hergestellte Einschlusskörper eines Knochen-morphogenetischen
Faktors ist vorzugsweise ein mit Hilfe eines gentechnologischen
Verfahrens in E. coli exprimierter.
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Wenn ein Knochen-morphogenetischen
Faktor in E. coli exprimiert wird, werden die Zellen in einem Puffer
suspendiert, mit Hilfe eines Homogenisators homogenisiert und zentrifugiert,
um einen Einschlusskörper
zu gewinnen. Der Einschlusskörper
wird mit einem Detergenz enthaltenden Puffer gewaschen, beispielsweise
Triton X-100, oder Harnstoff, für
mehr als dreimal und zentrifugiert, um einen Einschlusskörper der
ersten Aufreinigung zu erhalten.
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Der Schritt, in dem ein Einschlusskörper eines
Knochen-morphogenetischen Faktors mit einem Denaturierungsmittel
behandelt wird, um ein löslich
gemachtes Monomer zu erhalten, kann durch Zugabe des Einschlusskörpers zu
einer das Denaturierungsmittel enthaltenden Lösung und Auflösen durch
Rühren
durchgeführt
werden. Für
die ein Denaturierungsmittel enthaltende Lösung können alle öffentlich bekannten Denaturierungsmittel
wie etwa 8 M Harnstoff oder 6 M Guanidin-HCl oder andere in 50 mM
GlyCln-NaOH-Puffer (pH 10,7) verwendet werden.
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Der Schritt, in dem ein löslich gemachtes
Monomer mit einer Faltungslösung
behandelt wird, um ein Dimer zu ergeben, wird durch Verdünnen der
oben erhaltenen Proteinlösung
mit einer Faltungslösung
durchgeführt,
um eine endgültige
Proteinkonzentration von 0,1 bis 5,0 mg/ml zu ergeben, vorzugsweise
2,4 mg/ml. Obwohl eine Verdünnung
bisher so durchgeführt
wurde, um eine endgültige
Konzentration eines Denaturierungsmittels von 1 M oder weniger zu
ergeben, ist es bevorzugt in dieser Erfindung, dass die Verdünnung so durchgeführt wird,
um eine endgültige
Konzentration eines Denaturierungsmittels von 1 bis 4 M, insbesondere 2,4
M zu ergeben, sodass ein Aggregieren und Ausfällen von Proteinen verhindert
werden kann und eine verbesserte Ausbeute erzielt werden kann. Für die Faltungslösung können alle
im Stand der Technik öffentlich bekannten
verwendet werden, wie etwa oberflächenaktive Mittel, z. B. Cholsäure oder
dessen Derivate wie etwa 3-[(3-Cholamidopropyl)dimethylammonio]-2-hydroxy-1-propansulfonat
(CHAPSO), Taurocholsäure
oder ein Salz davon, Taurodeoxy-cholsäure oder ein Salz davon, und
vorzugsweise 3-[(3-Cholamidopropyl)-dimethylammonio]-1-propansulfonat
(CHAPS); EDTA; eine Kombination eines reduzierenden Mittels wie
etwa Mercaptoethanol oder Dithiothreitol (DTT) und oxidiertem Glutathion
oder ein Cystein enthaltender Puffer oder dgl. Der Vorteil bei der
Verwendung von Cystein allein ist, dass es nicht notwendig ist,
im Allgemeinen teure oxidierende Reagenzien zu verwenden und dass
es die verwendete Menge reduzieren kann. Daher ist zu erwarten,
dass dies die Verfahrensschritte vereinfacht und die Kosten für die Reagenzien
senkt.
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Das in der Faltungslösung enthaltende
Reagenz abgesehen von den oben beschriebenen, ist jenes mit einer
Guanidinogruppe, welches auch ein Aggregieren und Ausfällen des
Proteins verhindert und die Ausbeute erhöht.
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Insbesondere wird Guanidinhydrochlorid
oder Argininhydrochlorid (Arg·HCl),
vorzugsweise 0,5 M Arg·HCl
zu der Faltungslösung
im Voraus hinzugegeben. Die Wirkung der Zugabe von Arg·HCl ist
in Tabelle 1 dargestellt.
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Wie in Tabelle 1 gezeigt, trat ohne
Arg·HCl
ein Aggregieren und Ausfällen
des Proteins in der Faltungslösung
auf. Durch Zugabe von Arg·HCl
kann jedoch die Menge an Protein, die pro Faltungslösung ohne
Aggregieren behandelt werden kann, um das 2,7-fache erhöht werden
(z. B. 0,98 g/l im Gegensatz zu 0,37 g/l). Als Puffer können solche
Puffer, die Phosphat oder Tris-HCl verwenden, verwendet werden,
aber ein Arg-NaOH-Puffer mit einem pH-Wert von 8 bis 10, insbesondere
8,9, ist bevorzugt.
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Der Ultrafiltrationsschritt, in dem
das gefaltete Dimer konzentriert wird, wird unter Verwendung eines Membranfilters
mit einer Molekulargewichtsgrenze von 10.000 durchgeführt, wie
etwa PSU 10K (Sartorius), und die CHAPS-Konzentration wird durch
Ersetzen durch eine Säurelösung, wie
etwa 0,2%ige Phosphorsäurelösung, verringert.
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Der Schritt, in dem die Lösung des
substituierten Dimers isoelektrisch ausgefällt wird, wird durch Hinzufügen einer
alkalischen Lösung,
wie etwa NaOH zu der Dimerlösung
durchgeführt,
wobei der pH-Wert auf 7,4 eingestellt wird, um selektiv einen Knochenmorphogenetischen
Faktor auszufällen.
Nach dem Einstellen des pH-Wertes lässt man die Lösung für 1 Stunde
oder mehr stehen, zentrifugiert oder filtriert sie, um den Überstand
zu entfernen, und löst
das Präzipitat
in einer Säurelösung, wie
etwa 50 mM Zitronensäure,
0,2%iger Phosphorsäure
oder 0,05%iger Trifluoressigsäurelösung.
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Der Schritt, in dem das isoelektrisch
ausgefällte
Dimer einer Umkehrphasenchromatographie unterzogen wird, wird durchgeführt, indem
die oben erhaltene Säurelösung einer
Hochleistungsflüssigchromatographie
und einem Eluieren mit 0 bis 50% Gradienten eines organischen Lösungsmittels,
wie etwa Isopropanol, Acetonitril oder Ethanol unterzogen wird,
um die Fraktionen eines dimeren Knochenmorphogenetischen Faktors
zu gewinnen. Als Harz für
die Hochleistungsflüssigchromatographie
wird ein Polymerharz, wie etwa SOURCE 15 RPC (6 cm ⌀ × 20 cm,
hergestellt von PharmaCla Biotech) verwendet.
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Der in dieser Erfindung zu verwendende
Knochen-morphogenetische Faktor ist vorzugsweise ein Knochen-morphogenetischer
Faktor mit einem einzigen Molekulargewicht ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus MP52, BMP-2, BMP-4, BMP-6 und BMP-7. Als
Beispiel wird der E. coli-Stamm, der eine darin eingeführte cDNA,
die für
einen humanen MP52-Vorläufer
codiert (insbesondere das E. coli, das ein Plasmid enthält, das mit
einem Codon ligiert ist, das am 5-Primer-Terminus in der MP52-Sequenz
von 119 Resten für
ein Methionin codiert, wobei das N-terminale Alanin des reifen humanen
MP52 deletiert ist) enthält,
inkubiert, um ein reifes monomeres MP52 als Einschlusskörper in
großen
Mengen herzustellen, und es wird das vorliegende Verfahren verwendet,
um reifes MP52 von hoher Reinheit aus diesem Einschlusskörper zu
erhalten.
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Beispiel
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Diese Erfindung wird im Folgenden
genauer mit Hilfe von Beispielen erklärt werden, welche nicht so ausgelegt
werden sollen, dass sie die Endung beschränken. Die Verfahren von (2)
bis (4) wurden in einer Niedrigtemperaturkammer bei 4°C durchgeführt, unter
Berücksichtigung
der Stabilität
des Proteins. Jeder Schritt wird unten vollständig erklärt.
- (1)
Fermentieren von humanem MP52 und erste Aufreinigung des Einschlusskörpers Das
wie in Beispiel 2 von WO 96/33215 erhaltene MP52 herstellende E.
coli wurde in einem modifizierten SOC-Medium vorkultiviert, und
anschließend
wurde das vorkultivierte Medium in 100 l Produktionsmedium geimpft.
Für die
Einleitung wurde 1 mM Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid
(IPTG) in einer frühen
logarithmischen Wachstumsphase hinzugefügt, und das Fermentieren wurde
bei 32°C
weitergeführt,
bis OD550 = 150. Danach wurden die Zellen
geerntet, die Zellen wurden in einem Puffer enthaltend 25 mM Tris-HCl
(pH 7,3) und 10 mM EDTA-4Na suspendiert, mit Hilfe eines Homogenisators
homogenisiert (hergestellt von Manton Gaulin) und zentrifugiert;
um einen Einschlusskörper
zu gewinnen. Der Einschlusskörper
wurde mit einem 1 M Harnstoff als Detergenz enthaltenden Puffer
gewaschen und zentrifugiert, um einen Einschlusskörper mit
der angewandten ersten Aufreinigung zu erhalten.
- (2) Löslich-machen
des Einschlusskörpers
und Falten Einhundert Gramm (Feuchtgewicht) eines oben erhaltenen
Einschlusskörpers
wurde durch Rühren
in 300 ml 50 mM Glycin-NaOH-Puffer enthaltend 8 mM Harnstoff und
5 mM Ethylendiamin-tetraacetat (pH 8,9) löslich gemacht (wobei die Proteinkonzentration etwa
18 mg/ml betrug). Das Falten wurde durchgeführt durch Verdünnen der
Einschlusskörperlösung mit einem
Faltungspuffer [0,5 M Arg-NaOH (pH 8,9), 4,8 mM Cysteinhydrochloridmonohydrat,
0,5 M Natriumchlorid, 20 mM CHAPS] auf das 6,7-fache Volumen (wobei
die Proteinkonzentration etwa 2,4 mg/ml betrug). Das Gemisch wurde
so bei 4°C
für etwa
20 Stunden stehengelassen.
- (3) Aufreinigung von MP52 nach dem Falten (Ultrafiltration)
Nach dem Abschluss der Faltungsreaktion wurde MP52 fünffach konzentriert
unter Verwendung eines Membranfilters mit einer Molekulargewichtsgrenze von
10.000 (PSU 10K, Sartorius), und die Lösung wurde verdünnt und
durch das 5-fache Volumen 0,2%iger Phosphorsäurelösung substituiert. Durch dreimaliges
Wiederholen des Verfahrens wurde die CHAPS-Konzentration theoretisch
100-fach oder mehr verdünnt.
- (4) Aufreinigung von MP52 nach dem Falten (isoelektrisches Ausfällen) Das
isoelektrische Ausfällen
wurde durch Zugabe einer NaOH-Lösung
zu der substituierten Faltungslösung
durchgeführt,
wobei der pN-Wert auf 7,4 eingestellt wurde. Die Lösung wurde
trüb, und
wurde dann für
1 Stunde oder mehr stehengelassen. Anschließend wurde sie zentrifugiert
(10.000 g × 10
15 min) und das Präzipitat
gewonnen. Das Präzipitat wurde
in 0,2%iger Phosphorsäurelösung verdünnt.
- (5) Aufreinigung von MP52 nach dem Falten (Umkehrphasenchromatographie)
Das in der Phosphorsäurelösung gelöste MP52
wurde mit Hilfe einer Umkehrphasenchromatographie abgetrennt. Ein Hochleistungsflüssigchromatographiesystem
unter Verwendung von SOURCE 15 RPC (6 cm ⌀ × 20 cm, PharmaCla Biotech)
als Harz wurde mit einem 0 bis 50%-igen Ethanolgradienten durchgeführt und
eluiert, um die dimeres MP52 enthaltenden Fraktionen zu gewinnen.
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Gemäß dem oben erwähnten Aufreinigungsverfahren
ist es gelungen, eine aktive Form von MP52 in hoher Ausbeute zu
gewinnen, wie in Tabelle 2 gezeigt. Eine Menge von MP52 in dem Aufreinigungsschritt
wurde durch Quantifizierung des gescannten CBB-gefärbten Elektrophoresegelbilds
bestimmt.
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Einer der Vorteile des Aufreinigungsverfahrens
dieser Erfindung ist eine wirksame Reduzierung der Aufreinigungskosten.
Gemäß einer
vorläufigen
Berechnung können die
Gesamtverfahrenskosten auf etwa die Hälfte pro Protein reduziert
werden im Vergleich mit den in WO 96/33215 offenbarten. Daher kann
das vorliegende Aufreinigungsverfahren bei der Industrialisierung
sehr nützlich
sein.
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Gemäß dem vorliegenden Verfahren
kann ein dimerer Knochen-morphogenetischer Faktor mit einem einzigen
Molekulargewicht effizient in großer Menge und weniger kostspielig
hergestellt werden als mit einem Verfahren aus dem Stand der Technik.