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Die
vorliegende Beschreibung beansprucht den Nutzen der vorläufigen Anmeldung
Seriennummer 60/061 454, angemeldet am 8. Oktober 1997.
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Fachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtöten von
Gram-positiven Bakterien und Pilzen, und ein Verfahren zum Behandeln
eines Materials, das einer mikrobiellen Kontamination ausgesetzt
ist, durch Verabreichen einer wirksamen antimikrobiellen Menge der α- oder β-Ketten von
Hämoglobin,
die frei von Häm sind,
oder von Polypeptidfragmenten der α- und β-Ketten, die aus einer Spaltung
durch Cyanogenbromid resultieren, oder von synthetischen Fragmenten
davon.
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Stand der Technik
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Antibakterielle
Peptide aus natürlichen
Quellen haben eine lange Geschichte. Im Jahr 1939 zeigte Dubos,
dass ein Bodenbacillus, der anschließend als B. brevis identifiziert
wurde, Substanzen produzierte, die Pneumococcus-Infektionen bei
Mäusen
verhindern konnten. Anschließend
reinigten Hotchkiss und Dubos zwei Substanzen, die aus Aminosäuren bestanden,
wobei eine dieser Substanzen, Gramicidin, sich als therapeutisches
Mittel bewährt
hat. In hierauf folgenden Untersuchungen über antimikrobielle Peptide
wurden zahlreiche Wirkstoffe identifiziert (1). (In dieser Anmeldung
werden mehrere Veröffentlichungen
durch arabische Ziffern in Klammern angegeben. Die vollständigen Zitate
dieser Referenzen finden sich, in der Reihenfolge aufgelistet, am
Ende der Beschreibung.)
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Zahlreiche
Bakterien erzeugen antimikrobielle Peptide (Bakteriocine) und Proteine;
diejenigen Substanzen, die von Gram-negativen Bakterien freigesetzt
werden, sind stärker
wirksam und haben ein breiteres Wirkspektrum (2). Die Defensine
sind kleine antimikrobielle Peptide, die in Neutrophilen, Nicht-Mensch-Makrophagen
und Paneth-Zellen
gefunden werden (3). Die Haut von Amphibien ist eine reichhaltige
Quelle von antimikrobiellen Peptiden, eine dieser Substanzen, Magainin,
isoliert aus Xenopus laevis, befindet sich zurzeit im klinischen
Test (4, 5). Pflanzen bilden verschiedene Gen codierte antimikrobielle
Peptide, umfassend die Phytoalexine, die PR-Proteine und die AMPs
(6, 7). Für
Insekten wurde gezeigt, dass sie bakterizide Peptide und Proteine
synthetisieren, z.B. Cecropin, das aus dem Nachtfalter („moth") Cecropia erhalten
wurde (8, 9, 10), und die Sarcotoxine, die aus den Larven der Fleischfliege
Sarcophaga perigrina erhalten wurden (11). Aus den Hämozyten
der Hufeisen-Krabbe („horse-shoe
crab") Limulus stammen
die Tachyplesine, außerdem
wurde Squalamin, ein Aminosteroid mit antimikrobieller Aktivität, aus dem
Hai Squalus acanthias isoliert (12).
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Somit
gehören
viele antimikrobielle Substanzen zu Familien von „natürlichen" Antibiotika, z.B.
den Cecropinen, Magaininen, Defensiven, Serprocidinen und anderen.
Diese Substanzen sind in der Natur weit verbreitet und stellen in
Arten, die von Insekten über
Amphibien bis zu Säugetieren
reichen, einen natürlichen
Abwehrmechanismus gegen Infektionen dar. Im Allgemeinen sind diese
Substanzen in Zellen gespeichert, so dass sie in dem Tier induziert
und ausgeschieden werden können,
wenn es erforderlich ist. Viele Substanzen wirken, indem sie die
bakterielle Zellmembran selektiv aufreißen; viele wären auch
für die
Wirtszellen toxisch, wenn sie nicht abgeschieden vorliegen würden (13).
Für verschiedene
dieser Substanzen wurde vorgeschlagen, dass sie als antimikrobielle
Mittel geeignet sind (14, 15).
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Hämoglobin
(Mw = 64 500) besteht aus vier Polypeptidketten und vier prosthetischen
Häm-Gruppen, in
denen die Eisenatome als Eisen(II) vorliegen. Häm ist ein Metallkomplex, der
aus einem Eisenatom im Zentrum einer Porphyrinstruktur besteht.
Das Protein, das Globin genannt wird, besteht aus zwei α-Ketten und zwei β-Ketten.
Im Menschen gibt es zwei α-Ketten,
die jeweils aus 141 Aminosäureresten
bestehen, und zwei β-Ketten,
die jeweils 146 Reste enthalten. Die Aminosäuresequenz der α- und β-Ketten des menschlichen
Hämoglobins
ist wie folgt:
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Die
Struktur von Häm
(Ferroprotoporphyrin IX) ist bekannt.
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An
jede Polypeptidkette ist eine Häm-Gruppe über eine
Koordinations-Bindung zwischen dem Eisenatom und der R-Gruppe eines
Histidinrestes gebunden. Die sechste Koordinations-Bindung des Eisenatoms ist
für die
Bindung von Sauerstoff verfügbar.
Außerdem
transportiert Hämoglobin
auch H–,
CO2 und NO. Die Struktur von Häm ist in
allen Tieren, die Hämoglobin
besitzen, identisch, jedoch variiert die Sequenz der Globinketten
beträchtlich.
Trotz dieser Variation ist die Konfiguration des Tetramers unter
den Arten ziemlich ähnlich.
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Die
Wechselwirkungen von Hämoglobin
mit Sauerstoff und Kohlendioxid hängen ab vom Zustand des Häm und der
Reste, die es umgeben, sowie außerdem
von der Regulation durch heterotrophe Liganden, umfassend H+, Cl–, CO2,
HCO3 und 2,3-Diphosphoglycerat. Diese Liganden regulieren
das Gleichgewicht zwischen dem Zustand hoher Affinität (der entspannten
oder R-Struktur) und dem gespannten Zustand geringer Affinität (oder
der T-Struktur). Die Stereochemie von Hämoglobin wurde ausführlich beschrieben
(16, 17).
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Auf
Hämoglobin
basierende Zusammensetzungen wurden zu dem Zweck entwickelt, sie
als Blutersatzstoffe zu verabreichen (18, 19). Diese Mittel umfassen
ein chemisch modifiziertes Hämoglobin,
das die Sauerstoff-tragende Häm-Gruppe
enthält,
die für
den richtigen Sauerstofftransport erforderlich ist. Während solche,
auf modifiziertem Häm
basierenden Verbindungen als Blutersatzstoffe verabreicht wurden,
wurde die Verabreichung von unmodifiziertem Hämoglobin, seinen Häm-freien
Untereinheiten oder Fragmenten oder synthetischen Peptiden davon
bisher für
diesen Zweck oder für
andere therapeutische Anwendungen noch nicht beschrieben. Tatsächlich wären die
Häm-freien α- und β-Untereinheiten
für den
Zweck zum Bereitstellen von Blutersatzstoffen nicht geeignet, da
sie nicht in der Lage sind, Sauerstoff zu binden.
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Hobson
et al., Journal of Experiment. Med. (1958), 107 (2), S. 167–183, und
Wood et al., Laborat. Invest. (1958), 7 (1), S. 1–8, beschreiben
die antibakterielle Wir kung von Hämoglobin gegen Gram-negative
Bakterien; DE-A-2523052 offenbart, dass pathogene Pilze unter Verwendung
von Hämoglobin
kontrolliert werden können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Abtöten von
Gram-positiven Bakterien oder Pilzen bereit, umfassend das Inkontaktbringen
der Gram-positiven Bakterien oder Pilze mit einer antimikrobiell
wirksamen Menge von einem Hämoglobin-Proteinfragment oder
Polypeptidfragmenten davon, ausgewählt aus der Gruppe, die aus
der Häm-freien
Hämoglobin-α-Kette, der
Häm-freien
Hämoglobin-β-Kette, einem
Hämoglobin-α-3-Fragment,
einem Hämoglobin-β-2-Fragment,
einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 3, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 2, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 5, einer Aminosäuresequenz der
SEQ ID NO: 6, Fragmenten der Proteine oder der Polypeptidfragmente
davon, sowie Kombinationen davon besteht.
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Die
Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Sterilisieren oder
Aufrechterhalten von Pilz- oder Gram-positiv-Bakterien-freien Produkten
bereit, umfassend das Applizieren oder Vermischen der Produkte mit einer
antimikrobiell wirksamen Menge von einem Hämoglobin-Proteinfragment oder
Polypeptidfragmenten davon, ausgewählt aus der Gruppe, die aus
der Häm-freien
Hämoglobin-α-Kette, der
Häm-freien
Hämo-globin-β-Kette, einem
Häm-freien
Hämoglobin-α-3-Fragment,
einem Häm-freien
Hämoglobin-β-2-Fragment,
einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 3, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 2, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 5, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 6, Fragmenten des Proteinfragments oder der Polypeptidfragmente
davon, sowie Kombinationen davon besteht.
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Außerdem stellt
die Erfindung die Verwendung von einem Hämoglobin-Proteinfragment oder Polypeptidfragmenten
davon bereit, ausgewählt
aus der Gruppe, die aus der Häm-freien
Hämoglobin-α-Kette, der Häm-freien
Hämoglobin-β-Kette, einem
Häm-freien
Hämoglobin-α-3-Fragment,
einem Häm-freien
Hämoglobin-β-2-Fragment, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 3, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 2, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 5, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 6, Fragmenten des Proteinfragments oder der Polypeptidfragmente
davon, sowie Kombinationen davon besteht, zum Herstellen eines Arzneimittels
zum Behandeln von Infektionen mit Gram-positiven Bakterien oder
Pilzen.
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Die
Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Verhindern der Kontamination
von Nahrungsmitteln durch Gram-negative Bakterien bereit, umfassend
das Applizieren oder Vermischen des Nahrungsmittels mit einer antimikrobiell
wirksamen Menge von Polypeptidfragmenten davon, ausgewählt aus
der Gruppe, die aus einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 5, einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 6 oder Kombinationen davon besteht. Weiterhin stellt
die Erfindung ein Verfahren zum Sterilisieren oder Aufrechterhalten
von Gram-negativ-Bakterien-freien Produkten bereit, umfassend das
Applizieren oder Vermischen der Produkte mit einer antimikrobiell
wirksamen Menge einer Aminosäuresequenz
der SEQ ID NO: 5 oder einer Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 6
oder Kombinationen davon.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1:
Aktivität
von Hämoglobin
gegen Staphylococcus aureus bei pH 5,5.
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2:
Aktivität
von Hämoglobin
gegen Streptococcus faecalis bei drei pH-Werten.
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3:
Aktivität
von Hämoglobin
gegen Pseudomonas aeruginosa bei drei pH-Werten.
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4:
Aktivität
von Hämoglobin
gegen Candida albicans bei pH 5,5.
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5:
Aktivität
von Hämoglobin
gegen Escherichia coli bei pH 5,5.
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6:
Aktivität
von Hämoglobin
gegen Escherichia coli bei pH 7,4.
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7:
Aktivität
der α-Kette
gegen Candida albicans bei pH 5,5.
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8:
Aktivität
der α-Kette
gegen Escherichia coli bei pH 5,5 und pH 7,4.
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9:
Aktivität
der α-Kette
gegen Escherichia coli bei pH 5,5 und pH 7,4.
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10:
Aktivität
der α-Kette
gegen Pseudomonas aeruginosa bei pH 5,5.
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11:
Aktivität
der β-Kette
gegen Pseudomonas aeruginosa bei pH 5,5.
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12:
Aktivität
der β-Kette
gegen Pseudomonas aeruginosa bei pH 5,5.
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13:
Aktivität
der β-Kette
gegen Staphylococcus aureus und Streptococcus faecalis bei pH 5,5.
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14:
Aktivität
der β-Kette
gegen Candida albicans bei pH 5,5.
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15:
Aktivität
der β-Kette
gegen Escherichia coli bei pH 5,5 und pH 7,4.
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16:
Kurve einer C4-Reverse-Phase-HPLC-Analyse von menschlichen Hämoglobin-Ketten,
wobei ein früher
Peak zu sehen ist, der Häm
darstellt, und darauf breitere Peaks folgen, welche die β- bzw. die α-Kette darstellen.
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17:
Tris-Tricin-SDS-PAGE-Analyse von menschlichem Hämoglobin, die eine Färbung mit
Coomassie-Blau von sowohl der α-
als auch der β-Kette
bei 14,5 kDa zeigt.
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18A: HPLC-Trennung von CNBr-gespaltenen Fragmenten
der menschlichen Hämoglobin-α-Kette.
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18B: HPLC-Trennung von CNBr-gespaltenen Fragmenten
der menschlichen Hämoglobin-β-Kette.
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19A: MALDI-TOF-massenspektroskopische Analyse
des CNBr-gespaltenen α1-Fragments
der menschlichen Hämoglobin-α-Kette.
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19B: MALDI-TOF-massenspektroskopische Analyse
des CNBr-gespaltenen α2-Fragments
der menschlichen Hämoglobin-α-Kette.
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19C: MALDI-TOF-massenspektroskopische Analyse
der CNBr-gespaltenen Fragmente α1
und α2 der
menschlichen Hämoglobin-α-Kette.
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19D: MALDI-TOF-massenspektroskopische Analyse
des CNBr-gespaltenen α3-Fragments
der menschlichen Hämoglobin-α-Kette.
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19E: MALDI-TOF-massenspektroskopische Analyse
des CNBr-gespaltenen β1-Fragments
der menschlichen Hämoglobin-β-Kette.
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19F: MALDI-TOF-massenspektroskopische Analyse
des CNBr-gespaltenen β2-Fragments
der menschlichen Hämoglobin-β-Kette.
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Genaue Beschreibung der
Erfindung
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Der
Gegenstand der Erfindung ist die antimikrobielle Aktivität von Säuger-Hämoglobin, Häm-freien α- und β-Ketten, ausgewählten Fragmenten
davon, synthetischen Peptiden daraus und Zusammensetzungen, die
solche Peptide und Fragmente enthalten. Therapeutische Anwendungen
für diese
Substanzen umfassen die Verwendung als systemische Mittel gegen
Gram-positive Bakterien und gegen Pilze und als Mittel, die einen
Synergismus mit herkömmlichen
Antibiotika zeigen.
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Weiterhin
umfassen diese Substanzen auch Polypeptidfragmente der α- und β-Ketten von Hämoglobin,
die aus der Spaltung der α-
oder der β-Kette
mit Cyanogenbromid (CNBr) oder anderen Peptidasen resultieren, und
synthetische Peptide daraus. Bakterien, gegen welche die Substanzen
eine bakterizide Aktivität aufweisen,
umfassen Gram-positive Bakterien. Beispiele solcher Gram-positiver
Bakterien sind Staphylococcus aureus und Streptococcus faecalis.
Außerdem
wirken die Zusammensetzungen als antimikrobielle Mittel gegen Pilze,
einschließlich
Hefen. In einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Hefe Candida albicans.
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Menschliches
Hämoglobin
zeigt eine antimikrobielle Aktivität gegen Pilze, z.B. Candida
albicans, Gram-negative Bakterien, z.B. Escherichia coli und Pseudomonas
aeruginosa, und Gram-positive Bakterien, z.B. Staphylococcus aureus
und Streptococcus faecalis (1 bis 6).
Die antimikrobielle Aktivität
wird durch den pH-Wert beeinflusst, wobei sie bei pH 5,5 größer ist
als bei pH 7,4.
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Eine ähnliche
antimikrobielle Aktivität
wird für
Häm-freie α- und β-Ketten von
Hämoglobin
gezeigt (7 bis 10 für die Häm-freie α-Kette; und 11 bis 15 für die Häm-freie β-Kette).
Wie beim intakten Hämoglobin
wird die antimikrobielle Aktivität
für die
Häm-freien α- und β-Ketten von
Hämoglobin
durch den pH-Wert beeinflusst, wobei sie bei pH 5,5 größer ist
als bei pH 7,4.
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Weiterhin
wird eine antimikrobielle Aktivität durch Fragmente der α- und β-Ketten gezeigt, die
entstehen, wenn entweder Hämoglobin
oder die einzelnen α-
und β-Ketten durch CNBr
gespalten werden.
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Die
CNBr-Behandlung führt
bei der α-Kette
zu drei Fragmenten und bei der β-Kette zu zwei Fragmenten.
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Das α-3-Fragment
der CNBr-Spaltung wurde identifiziert als:
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Die
Entdeckung von antimikrobiellen Aktivitäten des menschlichen Hämoglobins
und seiner zwei Untereinheiten hatte zur Folge, dass die Mindestanforderungen
für die
biologische Aktivität
untersucht wurden, um Modellverbindungen mit einer ähnlichen
Aktivität
entwerfen zu können.
Wie vorstehend diskutiert ergab die Spaltung mit CNBr fünf Fragmente:
drei aus der α-Kette
und zwei aus der β-Kette.
Fragment β2
war stark wirksam gegen E. coli und C. albicans. Die Tertiärstruktur
von β2 zeigt,
dass beide Enden dieses Fragments Helices sind. Zwei Peptide, die
von den Enden von β2
hergeleitet sind, wurden synthetisiert und auf eine antibiotische
Aktivität
getestet.
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Jedes
der synthetischen Peptide zeigt antimikrobielle Aktivitäten (vgl.
Tabelle 3, Beispiele 9 und 10).
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Zwar
sollte ein Mechanismus, den man vorschlägt, um die Wirkung dieser Peptide
zu erklären,
nicht als Einschränkung
angesehen werden, man kann jedoch vermuten, dass die antimikrobielle
Aktivität
durch eine Beteiligung der Helixstruktur der Peptide zustande kommt,
wodurch möglicherweise
innerhalb der Membranen von Mikroorganismen Poren gebildet werden.
Aufgrund der Ähnlichkeit
in der Struktur und Konfiguration von Hämoglobinen aus verschiedenen
Säugetieren
ist es wahrscheinlich, dass Hämoglobin,
seine α-
und β-Ketten
und Fragmente davon, die aus anderen Quellen als dem Menschen stammen,
eine signifikante antimikrobielle Aktivität zeigen. Somit umfasst die
Erfindung auch Hämoglobin-Tetramere
und ihre enthaltenen Häm-freien
Monomere aus anderen Säugetieren.
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Die
Zusammensetzung der Erfindung kann therapeutisch, prophylaktisch
oder als Desinfektionsmittel eingesetzt werden, indem die Bakterien
oder Pilze einer antimikrobiell wirksamen Menge von einer der hier beschriebenen
Zusammensetzungen gemäß einem
der hier beschriebenen Verfahren ausgesetzt werden. Wenn das Verfahren
durchgeführt
wird, werden die Zusammensetzungen typischerweise in einem geeigneten Puffer
gelöst.
Beispiele von geeigneten Puffern sind dem Fachmann bekannt und umfassen
Phosphatpuffer (für
Pilze) oder Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung bei geeigneten pH-Werten.
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Diese
pharmazeutische Zusammensetzung umfasst eine antimikrobiell wirksame
Menge von einer der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen und einen
pharmazeutisch verträglichen
Träger.
Geeignete pharmazeutisch verträgliche
Träger
für die äußerliche,
orale oder systemische Verwendung sind dem Fachmann bekannt und
in der Pharmakopöe
der Vereinigten Staaten („Pharmacopeia
of the United States"),
The National Formulary and Pharmaceutical Science (8. Auflage, Kapitel
83, 84 und 89), beschrieben.
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Abhängig von
der jeweiligen spezifischen Anwendung kann die durch die vorliegende
Erfindung bereitgestellte pharmazeutische Zusammensetzung als eine
Lösung,
Suspension, ein parenterales Präparat, eine
Salbe, Creme, Lotion, ein Spray, Pulver, eine Tablette oder Kapsel
formuliert werden, wobei sie passend dosiert, appliziert oder gemischt
wird. Parenterale Präparate
können
einen Träger
umfassen, z.B. speziell destilliertes, Pyrogen-freies Wasser, Phosphatpuffer
oder normale Kochsalzlösung.
Sal ben, Cremes, Lotionen und Sprays können einen Träger enthalten,
z.B. pflanzliches Öl
oder Mineralöl,
entfärbtes
Petrolatum oder einen Alkohol mit hohem Molekulargewicht, d.h. der
mehr als zwölf
Kohlenstoffatome besitzt. Tabletten oder Kapseln können Verdünnungsmittel,
z.B. Lactose, Bindemittel, Gleitmittel, z.B. Stearinsäure, und
ein Zerfallshilfsmittel, z.B. Maisstärke, enthalten.
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Jede
der Zusammensetzungen kann mit anderen Antibiotika oder antimikrobiellen
Mitteln, Mitteln gegen Protozoen, Mitteln für die Wundheilung und dergleichen
kombiniert werden, um ihre Aktivität oder ihr therapeutisches
Spektrum zu vergrößern.
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Die
Zusammensetzungen können
an das Individuum z.B. durch intravenöse Injektion, intraperitoneale Injektion,
oral oder in Form einer Aerosolspray-Zusammensetzung verabreicht
werden. Außerdem
können zum
Verabreichen der Zusammensetzungen Lipidvesikel oder Lipidemulsionspräparate,
welche die Peptide der Erfindung enthalten, verwendet werden. Spezifische
Verabreichungsarten hängen
von dem Krankheitserreger ab, auf den abgezielt werden soll. Der
spezifische Verabreichungsweg und das spezifische Dosierungsschema
muss vom klinischen Arzt ausgewählt
und nach den in der Klinik bekannten Verfahren entsprechend eingestellt
oder angepasst werden, so dass die optimale klinische Antwort erhalten
wird. Die Menge, die verabreicht werden soll, ist die Menge, die
antimikrobiell wirksam ist. Die verabreichte Dosis hängt auch
von den Eigenschaften des Individuums ab, das behandelt werden soll,
z.B. von dem bestimmten behandelten Säugetier, dem Alter, Gewicht,
Gesundheitszustand, gegebenenfalls der Art einer gleichzeitigen
Behandlung, der Häufigkeit
der Behandlungen und der kleinsten therapeutischen Dosis. Im Fall
der Behandlung von Menschen liegt die antimikrobiell wirksame Menge
typischerweise im Bereich von etwa 0,5 bis 50 mg/kg Körpergewicht und
im Bereich von etwa 0,5 bis 5,0 mg/ml pro Dosis.
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Außerdem wird
ein Verfahren zur Verwendung solcher Peptide bereitgestellt, um
eine mikrobielle Kontamination von Nahrungsmitteln zu verhindern,
d.h. als Konservierungsmittel, oder um mögliche Krankheitserreger zu
eliminieren. Z.B. kommt es in Schalentier-, Fleisch- und Geflügelprodukten
normalerweise zum Wachstum von darmpathogenen Organismen. Solche
Krankheitserreger können
durch die Behandlung mit einer antimikrobiell wirksamen Menge der
Peptidzusammensetzungen der Erfindung entfernt werden. Außerdem können als
Nahrungsmittel dienende Feldfrüchte,
z.B. Früchte
und Gemüse,
behandelt werden, um zu verhindern, dass sie nach der Ernte verderben.
Die Peptide können äußerlich
zugegeben oder durch transgene Expression eines rekombinanten Peptids
der Erfindung verabreicht werden. In dem Fall, wenn das Material, das
konserviert werden soll, mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vermischt
wird, wird eine antimikrobiell wirksame Menge des ausgewählten Peptids
durch ein einfaches Mischverfahren zugegeben. Die antimikrobiell
wirksame Menge liegt typischerweise im Bereich von etwa 1500 μg bis 50
mg/kg des behandelten Mate rials. In dem Fall, wenn die Zusammensetzungen äußerlich
verabreicht werden, liegt die antimikrobiell wirksame Menge typischerweise
im Bereich von etwa 0,1 bis 1,0 mg/cm2.
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Außerdem können die
Peptide der Erfindung als Desinfektionsmittel verwendet werden,
um Mikroorganismen-freie Produkte zu sterilisieren oder aufrechtzuerhalten.
Solche Produkte können
Babytücher,
Windeln, Bandagen, Papierhandtücher,
kosmetische Produkte, Augenwaschlösungen und Kontaktlinsenlösungen umfassen.
Die Zusammensetzungen der Erfindung können zu solchen Produkten in
einem geeigneten Puffer oder in Liposomzusammensetzungen äußerlich
zugegeben werden. Die antimikrobiell wirksame Menge, die verabreicht
werden soll, liegt typischerweise im Bereich von etwa 1500 μg bis 50
mg/kg des behandelten Materials.
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Die
folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung erläutern, sie
sollen sie jedoch in keiner Weise einschränken.
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Beispiele
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Verfahren
und Präparate
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Auftrennen von α- und β-Ketten aus
dem Hämoglobin
(30, 31)
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Rohes
Hb (50 μl),
bezogen von Sigma Chemicals, wurde in eine C4-Reverse-Phase-HPLC-Säule (YMC
Protein-RP, 150 × 4,6
mm I.D.) injiziert und mit Wasser/Acetonitril eluiert (mobile Phase
A: 80% H2O/20% AcCN/0,1 TFA; mobile Phase
B: 40% H2O/60% AcCN/0,1 TFA). Die Säule wurde
anfangs zehn Minuten mit 40% der mobilen Phase B gewaschen, danach
wurde ein linearer Gradient von 45% bis 60% von B 90 Minuten laufen
gelassen. Ein zweiter linearer Gradient von 55% bis 95% von B wurde
zehn Minuten laufen gelassen, danach wurde die Säule 15 Minuten bei 95% B gehalten.
Die Fließrate
der Säule
betrug 1 ml/Min., und das eluierte Material wurde bei 210 nm nachgewiesen.
Das eluierte Volumen wurde in 4-ml-Fraktionen gesammelt, die unter
Vakuum eingeengt wurden. Das Häm
wurde als ein spitzer Peak bei 7,15 Min. eluiert, während die β- und die α-Untereinheit
als breite Peaks eluiert wurden, deren Mitte bei 28 Min. bzw. 38
Min. lag (16).
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Tris/Tricin-SDS-PAGE-Analyse
von Hämoglobin
und seinen α-
und β-Ketten
(32)
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Aliquots
(20 μl)
von Hb und seinen α-
und β-Ketten
wurden mit 6 × Probenpuffer
(4 μl) versetzt,
fünf Minuten
auf 95°C
erhitzt und durch SDS-PAGE (16,5% Gel) unter Verwendung eines Tris/Tricin-Puffersystems analysiert.
Die Banden wurden durch eine einstündige Färbung mit Coomassie-Blau sichtbar
gemacht (0,1% Coomassie-Blau G-250
in 50% Methanol/10% Essigsäure),
anschließend
wurde jedes Gel über
Nacht entfärbt (5%
Methanol/7% Essigsäure)
(17).
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Spalten der menschlichen α- und β-Hämoglobin-Ketten
mit Cyanogenbromid (CNBr)
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Menschliche α- und β-Ketten wurden
mit Ameisensäure
verdünnt
(Endkonzentration von 60% Ameisensäure). Danach wurde Cyanogenbromid
(500- bis 1000-facher Überschuss)
als eine Lösung
von AcCN (4,7 M) zugegeben. Jedes Reaktionsgemisch wurde mit Argon
durchgespült
und 24 Stunden bei Raumtemperatur im Dunkeln stehen gelassen. Da
beim Spaltverfahren HCOOH eingesetzt wurde, bestand die Wahrscheinlichkeit,
dass die resultierenden Fragmente formyliert waren, das heißt, das
bei der HPLC-Analyse für
jedes Fragment mehrere Peaks ergeben würde. Um dieses Problem zu umgehen,
wurde Ethanolamin (100 μl
Ethanolamin pro 1 mg Ausgangsmaterial) zu den Proben zugegeben,
die danach gevortext, beschallt und erneut im Vakuum getrocknet
wurden. Das Material wurde unter Beschallung in 10 mM Natriumphosphatpuffer
(NaPB) bei pH 5,5 wieder gelöst.
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Die Reverse-Phase-HPLC
wurde eingesetzt, um die Peptidfragmente aufzutrennen (18, A und B)
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Das
theoretische Spaltmuster der α-
und β-Ketten
des menschlichen Hämoglobins
lässt erwarten, dass
man für
die α-Kette
drei Peptide mit 32, 44 und 65 Aminosäuren und für die β-Kette zwei Peptide mit 55 und
91 Aminosäuren
erhält.
Die MALDI-TOF-massenspektroskopische
Analyse der CNBr-gespaltenen Fragmente der α- und β-Ketten ist in 19,
A bis F, dargestellt.
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Messen der
antimikrobiellen Aktivität
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Die
in den beschriebenen Tests verwendeten Mikroorganismen waren wie
folgt: Staphylococcus aureus war Stamm RN6390, Pseudomonas aeruginosa
war Stamm PA01, Escherichia coli war Stamm MC4100, Streptococcus
faecalis war ATCC 8043, und Candida albicans war ein klinisches
Isolat auf dem Presbyterian Hospital.
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Antibakterielle Aktivität
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A. Plattentest
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Die
antibakterielle Aktivität
von gereinigten Fraktionen, Hämoglobin
oder seinen α-
und β-Ketten,
oder von den durch CNBr erhaltenen Fragmenten dieser Ketten wurden
gegenüber
Bakterien getestet, vertreten durch Escherichia coli, das auf Agarplatten
mit Trypicase-Soja-Brühe
(TSB) gehalten wurde. Escherichia coli dient als repräsentativer
Vertreter von Gram-negativen Organismen. Eine Einzelkolonie wird
in Trypticase-Soja-Brühe eingeimpft
und bis zur mittleren exponentiellen Phase gezüchtet (OD600 =
0,75). Die Kulturen werden in NaPB (pH 5,5 oder 7,4), 150 mM NaCl
(PBS) gewaschen und auf eine Endkonzentration von 2 × 104 koloniebildende Einheiten (CFU) pro ml
verdünnt.
Die Bakterien werden eine Stunde bei 37°C mit geeigneten Konzentrationen
von Hämoglobin
oder den α-
oder β-Ketten
in PBS-Testpuffer inkubiert. Am Ende des Tests werden Aliquots in
PBS 1:10 verdünnt
und zusammen mit 0,8% Weichagar auf Agarplatten plattiert, um das Überleben
der Bakterien nach einer Inkubation bei 37°C über Nacht zu bestimmen. Die
bakterizide Aktivität
wird bestimmt, indem die Abnahme der koloniebildenden Einheiten
für die
mit Hämoglobin
oder mit seinen α-
oder β-Ketten
inkubierten Bakterien im Vergleich zu den mit Puffer alleine inkubierten
Bakterien berechnet wird.
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B. Kreisdiffusionstest
auf antibiotische Aktivität
gegen Staphylococcus aureus RN6390
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Eine
Einzelkolonie von Staphylococcus aureus RN6390 wird in CYGP-Brühe eingeimpft
und bis zur mittleren exponentiellen Phase gezüchtet (OD600 =
0,7). Die Kulturen werden in NaPB, pH 5,5, gewaschen und auf eine
Endkonzentration von 5 × 107 CFU/ml verdünnt. Ein 0,2-ml-Aliquot dieser
Bakterensuspension (107 CFU) wird zu 10
ml autoklaviertem und abgekühltem
(auf 42°C)
NaPB-Puffer, 1% (Gew./Vol.) Agarose des Niedrig-Elektroendosmose-Typs
(Sigma) zugegeben. Nachdem die Bakterien mit der Agarose gemischt
wurden, wird diese in quadratische Lab-Tek-Petrischalen gegossen,
so dass eine gleichmäßig dicke
Schicht entsteht. Sodann werden Vertiefungen mit einem Durchmesser
von 2,7 mm ausgestochen und mit 4,5 μl der Kontrolle oder der Probe
gefüllt,
danach werden die Platten drei Stunden bei 37°C inkubiert und mit 10 ml sterilem Agar überschichtet,
der bei 42°C
gehalten wurde. Der Deckagar ist 2 × CYGP-Brühe
und 1% (Gew./Vol.) Bacto-Agar. Nach einer Inkubation von 18 bis
24 Stunden bei 37°C
wird der Durchmesser der klaren Zone, welche die Vertiefungen umgibt,
die ein antibakterielles Mittel enthalten, gemessen.
-
C. Kreisdiffusionstest
auf antibiotische Aktivität
gegen Pseudomonas aeruginosa PA01
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Eine
Einzelkolonie von Pseudomonas aeruginosa PA01 wird in Trypticase-Soja-Brühe eingeimpft
und bis zur mittleren exponentiellen Phase gezüchtet (OD600 =
0,7). Die Kulturen werden in NaPB, pH 5,5, gewaschen und auf eine
Endkonzentration von 5 × 107 CFU/ml verdünnt. Ein 0,2-ml-Aliquot dieser
Bakteriensuspension (107 CFU/ml) wird zu
10 ml autoklaviertem und abgekühltem
(auf 42°C)
NaPB-Puffer, 1% (Gew./Vol.) Agarose des Niedrig-Elektroendosmose-Typs
(Sigma) zugegeben. Nachdem die Bakterien mit der Agarose gemischt
wurden, wird diese in quadratische Lab-Tek-Petrischalen gegossen,
so dass eine gleichmäßig dicke Schicht
entsteht. Sodann werden Vertiefungen mit einem Durchmesser von 2,7
mm ausgestochen und mit 4,5 μl
der Kontrolle oder der Probe gefüllt,
danach werden die Platten drei Stunden bei 37°C inkubiert und mit 10 ml sterilem
Agar überschichtet,
der bei 42°C
gehalten wurde. Der Deckagar ist 6% (Gew./Vol.) TSB und 1% (Gew./Vol.)
Bacto-Agar. Nach einer Inkubation von 18 bis 24 Stunden bei 37°C wird der
Durchmesser der klaren Zone, welche die Vertiefungen umgibt, die
ein antibakterielles Mittel enthalten, gemessen.
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D. Kreisdiffusionstest
auf antibiotische Aktivität
gegen Escherichia coli MC4100
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Eine
Einzelkolonie von Escherichia coli MC4100 wird in Trypticase-Soja-Brühe eingeimpft
und bis zur mittleren exponentiellen Phase gezüchtet (OD600 =
0,7). Die Kulturen werden in NaPB, pH 5,5, gewaschen und auf eine
Endkonzentration von 5 × 107 CFU/ml verdünnt. Ein 0,2-ml-Aliquot dieser
Bakteriensuspension (107 CFU/ml) wird zu
10 ml autoklaviertem und abgekühltem
(auf 42°C)
NaPB-Puffer, enthaltend 0,02% Rinderserumalbumin (BSA) und 0,02%
Triton X100, 1% (Gew./Vol.) Agarose des Niedrig-Elektroendosmose-Typs
(Sigma) zugegeben. Nachdem die Bakterien mit der Agarose gemischt
wurden, wird diese in quadratische Lab-Tek-Petrischalen gegossen,
so dass eine gleichmäßig dicke
Schicht entsteht. Sodann werden Vertiefungen mit einem Durchmesser
von 2,7 mm ausgestochen und mit 4,5 μl der Kontrolle oder der Probe
gefüllt,
danach werden die Platten drei Stunden bei 37°C inkubiert und mit 10 ml sterilem
Agar überschichtet,
der bei 42°C
gehalten wurde. Der Deckagar ist 6% (Gew./Vol.) TSB und 1% (Gew./Vol.)
Bacto-Agar. Nach einer Inkubation von 18 bis 24 Stunden bei 37°C wird der
Durchmesser der klaren Zone, welche die Vertiefungen umgibt, die
ein antibakterielles Mittel enthalten, gemessen.
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E. Kreisdiffusionstest
auf antibiotische Aktivität
gegen Streptococcus faecalis ATCC 8043
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Eine
Einzelkolonie wird in 10 ml TSB eingeimpft und über Nacht unter Schütteln bei
37°C inkubiert. Etwa
0,3 ml werden zu 10 ml frischem TSB zugegeben und bei 37°C geschüttelt. Diese
Kultur lässt
man bis zur mittleren exponentiellen Phase wachsen (OD600 =
0,6). Die Kultur wird zweimal in NaPB, pH 5,5, gewaschen und bei
5000 UpM zehn Minuten abzentrifugiert. Nach dem Waschen wird der
OD-Wert erneut bestimmt, um die genaue Bakterienkonzentration zu
ermitteln. Die gewaschenen Bakterien werden in einer Konzentration
von 107 pro Platte zu der unteren Schicht
zugegeben (NaPB pH 5,5/1% Niedrig-Elektroendosmose-Agarose). Verdünnungen
von Hämoglobin-Verdünnungen
in NaPB, pH 5,5, werden zu der Platte zugegeben, man lässt sie
in die Schicht diffundieren, anschließend wird die Platte in einer
Feuchtkammer drei Stunden bei 37°C
inkubiert. Nach der Inkubation werden 10 ml Nährmedium, 6% TSB und 1% Bacto-Agar
als Deckschicht zugefügt
und die Platten in einer Feuchtkammer über Nacht bei 37°C inkubiert.
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Anti-Pilz-Aktivität
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A. Plattentest
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Die
Anti-Pilz-Aktivität
von Hämoglobin
oder seinen α-
oder β-Ketten
wird gegen einen Pilz getestet, vertreten durch Candida albicans,
der auf Sabouraud-Dextrose-Agarplatten
gehalten wird. Der Pilz Candida albicans, der in diesen Tests verwendet
wird, ist ein Isolat aus dem Columbia Presbyterian Hospital, NY.
Eine Einzelkolonie wird in Sabouraud-Dextrose-Brühe eingeimpft und 16 bis 18
Stunden bei 37°C
gezüchtet.
Ein Aliquot der Übernacht-Kultur
wird in frische Brühe
eingeimpft und drei Stunden bis zu einer Dichte von 7 × 106/ml gezüchtet,
dies wird mit einer Zählkammer
bestimmt. Die Pilzkultur wird in 10 mM Natriumphosphatpuffer, pH
5,5, auf eine Endkonzentration von 2 × 104 CFU/ml
verdünnt
und diese Suspension drei Stunden mit Hämoglobin oder seinen α- oder β-Ketten in
NaPB, pH 5,5, inkubiert. Aliquots werden in M63- Minimalmedium 1:10 verdünnt und
auf Sabouraud-Dextrose-Agarplatten ausgestrichen, um nach 20 Stunden
bei 37°C
die überlebenden
CFU zu bestimmen.
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B. Kreisdiffusionstest
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Der
Pilz wird drei Stunden aus einer Übernacht-Kultur in Sabouraud-Dextrose-Brühe gezüchtet, bei
10 000 g zehn Minuten zentrifugiert, zweimal in NaPB, pH 5,5, gewaschen
und in NaPB (pH 5,5) auf eine Endkonzentration von 4 × 107/ml resuspendiert. Ein 0,1-ml-Aliquot dieser
Pilzsuspension (4 × 106 CFU) wird zu 10 ml autoklaviertem und abgekühltem (auf
42°C) NaPB,
pH 5,5, enthaltend 1% (Gew./Vol.) Agarose des Niedrig-Elektroendosmose-Typs
(Sigma), zugegeben. Nachdem der Pilz dazu gemischt wurde, wird der
Agar in quadratische Lab-Tek-Petrischalen gegossen, so dass eine
gleichmäßige, 1
mm dicke Schicht entsteht. Sodann werden Vertiefungen mit einem
Durchmesser von 3 mm ausgestochen und mit 5 μl der Kontrolle oder der Probe
gefüllt,
danach werden die Platten drei Stunden bei 37°C inkubiert und mit 10 ml sterilem
Agar überschichtet,
der bei 42°C
gehalten wurde. Der Deckagar ist 2 × Sabouraud-Agar. Nach einer Inkubation von 18 bis
24 Stunden bei 37°C
wird der Durchmesser der klaren Zone, welche die Vertiefungen umgibt,
die ein Anti-Pilz-Mittel enthalten, gemessen.
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Antimikrobielle
Aktivität
von Peptiden
-
Die
antimikrobielle Aktivität
des menschlichen Hämoglobins,
seiner Häm-freien α- und β-Ketten,
der durch CNBr erhaltenen Fragmente der α- und β-Ketten und von hieraus stammenden
synthetischen Peptiden wurde durch Kreisdiffusionstests und in einigen
Fällen
durch Plattentests bestimmt. Für
die in den 1 bis 15 dargestellten
Ergebnisse gibt die Ordinate den Durchmesser der klaren Zone an,
der in willkürlichen Einheiten
ausgedrückt
ist, wobei zehn Einheiten = 1,0 mm (23). Auf der Abszisse ist die
Proteinkonzentration in μg/ml
aufgetragen. Die MHK wird durch lineare Extrapolation der Messpunkte
auf einen Achsenabschnitt der x-Achse abgeschätzt.
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Jeder
Test wurde mit drei Versuchsläufen
durchgeführt,
außer
wenn etwas anderes angegeben ist. Der Kreisdiffusionstest ist zuverlässig und
ergibt reproduzierbare Ergebnisse, wenn er mit den gereinigten oder den
teilweise gereinigten Zusammensetzungen der Erfindung verwendet
wird. Das Testverfahren wurden nach dem Muster von Lee et al. (23)
durchgeführt.
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Beispiel 1
-
Die
antimikrobielle Aktivität
für menschliches
Hämoglobin
wurde durch den Kreisdiffusionstest gezeigt und ist in Tabelle 1,
Beispiel 1 und den 1 bis 6 zusammengestellt.
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Beispiel 2
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Die
antimikrobielle Aktivität
für menschliches
Hämoglobin
wurde durch den Plattentest gezeigt und stellte die folgenden Daten
bereit. Der IC50-Wert für Candida albicans liegt im
Bereich von 5 bis 6 μg/ml,
und für
E. coli liegt er im Bereich von 8 bis 10 μg/ml. Der IC50-Wert
ist als die Proteinkonzentration ausgedrückt, die erforderlich ist,
um 50% der Testorganismen abzutöten
(d.h. 50% Abnahme der koloniebildenden Einheiten).
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Beispiele 3 und 4
-
Die
antimikrobielle Aktivität
für die
Häm-freie α-Kette von
Hämoglobin
ist in Tabelle 1, Beispiel 3, zusammengefasst, die antimikrobielle
Aktivität
für die
Häm-freie β-Kette von Hämoglobin
ist in Tabelle 1, Beispiel 4, zusammengefasst.
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Beispiel 5
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Die
antimikrobielle Aktivität
für die α- und β-Ketten des
menschlichen Hämoglobins
wurde durch den Plattentest gezeigt und stellte die folgenden Daten
bereit. Die IC50-Werte für die α-Kette betrugen für Candida albicans
4 bis 5 μg/ml
und für
Escherichia coli 15 bis 20 μg/ml.
Die IC50-Werte für die β-Kette betrugen für Candida
albicans 4 bis 5 μg/ml
und für
Escherichia coli 10 bis 15 μg/ml.
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-
Beispiele 6 bis 10
-
Die
antimikrobielle Aktivität
für die
Fragmente der CNBr-Spaltung der Häm-freien α- und β-Ketten ist in Tabelle 2, Beispiele
6 bis 10, angegeben. Die Beispiele 6, 7 und 8 entsprechen den α-1-, α-2- bzw. α-3-CNBr-Spaltfragmenten,
und die Beispiele 9 und 10 entsprechen den β-1- bzw. β-2-CNBr-Spaltfragmenten. Die Werte
zeigen, dass die Fragmente α-3
(SEQ ID NO: 3) und β-2
(SEQ ID NO: 2) am wirksamsten sind.
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Beispiele 11 und 12
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Die
synthetischen Peptide I und II (SEQ ID NO: 5 bzw. 6) wurden durch
die Protein Chemistry Core Facility in Howard Hughes Medical Insitute
an der Columbia University gemäß herkömmlichen
Verfahren synthetisiert. Die antimikrobielle Aktivität der synthetischen
Peptide I (SEQ ID NO: 5) und II (SEQ ID NO: 6) ist in Tabelle 3,
Beispiele 11 bzw. 12, dargestellt.
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-
Die
vorstehenden Beispiele zeigen Experimente, die von den Erfindern
durchgeführt
und erdacht wurden, indem sie die vorliegende Erfindung zustande
gebracht und ausgeführt
haben. Man geht davon aus, dass diese Beispiele eine Beschreibung
von Verfahren umfassen, die dazu dienen, die Durchführbarkeit
und den Nutzen der Erfindung zu demonstrieren. Für den Fachmann ist es selbstverständlich,
dass in den angegebenen Ausführungsformen
und Verfahren verschiedenen Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne dass vom Umfang der Erfindung abgewichen wird.
-
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