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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Klasse perfluorierter Ester
von Alkanoyl-L-carnitin und ihre Verwendung als kationische Lipide,
die geeignet sind, um die intracelluläre Zufuhr pharmakologisch aktiver
Verbindungen zu begünstigen,
ihren Transport durch die Membran zu erleichtern oder um ihre Wechselwirkung mit
spezifischen Stellen der Zellmembran (Rezeptoren) zu steigern.
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"Intracelluläre Zufuhr" bedeutet die celluläre Transfektion
mit Polynucleotiden, die mit therapeutischer Wirkung ausgestattet
sind, und die Einfuhr antiviraler Arzneimittel oder immunogener
Polypeptide in die Zellen.
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Viele
pharmakologisch aktive Substanzen, wie beispielsweise Polypeptide
und Proteine oder Arzneimittel müssen
im allgemeinen in die Zellen eindringen, um ihre Wirkungen durch
die Beeinflussung von Zellfunktionen auf subcellulärem oder
molekularem Level zu entfalten. Für diese Moleküle stellt
die Zellmembran eine selektiv undurchlässige Barriere dar. Tatsächlich übt die Zellmembran
eine Schutzfunktion aus, indem sie den Eintritt potentiell toxischer
Substanzen verhindert, jedoch ebenso denjenigen von Verbindungen
mit therapeutischer Aktivität.
Die komplexe Zusammensetzung der Zellmembran schließt Phospholipide,
Glycolipide und Proteine ein; ihre Funktion wird durch cytoplasmatische
Komponenten, wie Ca++ und andere Ionen,
ATP, Mikrofilamente, Mikrotubuli, Enzyme und Proteine, die Ca++ binden, beeinflusst. Die Wechselwirkung
zwischen den strukturellen und cytoplasmatischen Komponenten der
Zellen und die Antwort auf externe Signale sind verantwortlich für die Selektivität, welche
verschiedene unterschiedliche Zelltypen zeigen. Die Barrierewirkung der
Membranen kann überwunden
werden, indem Substanzen in Komplexen mit Lipidformulierungen, welche die
Zusammensetzung natürlich
vorkommender Membranlipide wiedergeben, kombiniert werden. Diese
Lipide können
mit den Membranen fusionieren und die Substanzen, die mit ihnen
verbunden sind, in die Zellen freisetzen. Die Lipidkomplexe sind
nicht nur in der Lage, den intracellulären Transfer durch Fusion mit
den Membranen zu erleichtern, sondern können ebenso die Ladungsabstoßung zwischen
der Membran und dem Molekül,
das in die Zelle eindringen muss, verringern. Amphipatische Lipide,
wie Membranphospholipide, bilden in wässrigen Systemen Lipidvesikel
oder Liposomen.
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Liposomen
sind Vehikel, in welchen ein wässriges
Volumen vollständig
von einer oder mehreren Membranen, die aus Lipidmolekülen, üblicherweise
Phospholipiden, zusammengesetzt sind, eingeschlossen ist. Phospholipide,
die aus einem hydrophilen Kopf und einem Paar Kohlenwasserstoffketten
(hydrophober Schwanz) bestehen, sind die Hauptkomponenten biologischer
Membranen. In wässriger
Lösung
autoassoziieren sich die hydrophoben Schwänze und schließen so Wasser
aus, während
die hydrophilen Köpfe
mit dem Medium wechselwirken und so spontan Populationen von Vesikeln
mit variierenden Durchmessern bilden. Die Lipide sind im allgemeinen
zwitterionisch, neutral oder anionisch. Diese Vesikel können als
Träger
für Arzneimittel,
kleine Moleküle,
Proteine, Nucleotide und Plasmide verwendet werden.
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Im
Verlauf der letzten Jahre wurden die kationischen Liposomen, eine
Klasse positiv geladener Vesikel, die aus synthetischen Lipiden
hergestellt sind, ausgiebig für
den Transfer genetischen Materials in Zellen verwendet. Die negative
Ladung von DNA kann mit den positiven Ladungen der kationischen
Lipide in Wechselwirkung treten und so einen stabilen DNA-Liposomenkomplex
bilden. Die Einfachheit und Vielseitigkeit dieser Technologie hat
Liposomen zu einem wichtigen Vehikel für die Zufuhr von Genen für die Gentherapie
an menschlichen Subjekten gemacht. Gegenwärtig schließen die meisten der Vektoren,
die für
die Gentherapie verwendet werden und vom NIH Recombinant Advisory
Committee zugelassen sind, virale und synthetische Systeme ein.
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Eine
virale Infektion schließt
eine Serie komplexer Mechanismen ein, um eine spezifische Zelle
attackieren und die DNA in den Zellkern transportieren zu können. Das
Grundprinzip für
die Verwendung von viralen Vektoren für die Gentherapie basiert auf
der Möglichkeit,
die viralen Gene durch Gene zu ersetzen, die für eine therapeutische Funktion
codieren, während
die Fähigkeit
des viralen Partikels zur Infektion der Zellen eliminiert wird.
Die Einschränkungen
der viralen Therapie haben mit solchen viralen Elementen zu tun,
die immunogen, zytopathisch und zur Rekombination neigend sein können.
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Große Hoffnungen
werden auf die Verwendung kationischer Lipide für die Gentherapie gesetzt.
Diese Vektoren besitzen im Vergleich zu solchen biologischen Ursprungs
ein großes
Potential, da sie viel sicherer, weniger toxisch und darüber hinaus
in der Lage sind, sehr große
Gene einzubauen. Im Vergleich zu Vektoren des biologischen Typs
haben sie jedoch eine niedrige Ausbeute der intracellulären Gentranskription.
Es sollte jedoch im Gedächtnis
behalten werden, dass die Verwendung solcher Transfektionssysteme
in einem anfänglichen
Forschungsstadium ist. Kationische Lipide spielen eine sehr wichtige
Rolle bei der Bildung des DNA-Lipidkomplexes, bei der Zell-Komplex-Wechselwirkung,
bei der Fusion mit der Membran, bei der DNA-Freisetzung im Inneren der Zelle und
bei der Transkription.
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Es
gibt bedeutende Beispiele von in vivo-Anwendungen kationischer Liposomen.
Der erste klinische Test für
Gentherapie wurde durchgeführt,
indem ein Expressionsvektor eingeführt wurde, welcher das mit
humanen Liposomen komplexierte HLA-B7-Gen für die Behandlung von Melamonen
enthielt. Eine weitere bedeutsame Anwendung betrifft die Behandlung
pulmonaler zystischer Fibrose durch Verabreichung des Liposom-komplexierten
Expressionsvektors SV-40C-FTR über
den pulmonalen Weg oder als Nasenspray. Andere klinische Tests,
welche die Verwendung von Liposomen in der Gentherapie für Krebs
einschließen,
sind gegenwärtig
im Gang.
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Vier
Einzelelemente werden im allgemeinen in der Struktur kationischer
Lipide identifiziert: der positiv geladene kationische Kopf, der
Abstandhalter, das Ankerlipid und die Linkerbindung.
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Der
kationische Kopf ist verantwortlich für die Wechselwirkungen zwischen
kationischen Liposomen und DNA, zwischen dem DNA-Liposomen-Komplex
und der Zellmembran und den anderen Komponenten der Zellen. Er besteht
aus mono- oder polykationischen Gruppen (abhängig von der Anzahl der Ladungen),
die variabel substituiert sein können.
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Der
Abstandhalter ist der Teil des Moleküls, welcher den kationischen
Kopf vom hydrophoben Schwanz trennt und ist daran beteiligt, den
optimalen Kontakt zwischen dem kationischen Kopf und den negativen
Ladungen der DNA-Phosphate
sicherzustellen.
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Das
Ankerlipid ist der unpolare Kohlenwasserstoffteil des Moleküls und bestimmt
die physikalischen Eigenschaften der Lipiddoppelschicht, wie beispielsweise
ihre Starrheit und die Austauschgeschwindigkeit mit Membranlipiden.
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"Linkerbindung" bezeichnet die Bindung
zwischen den Kohlenwasserstoffketten und dem Rest des Moleküls. Diese
Bindung bestimmt die chemische Stabilität und Bioabbaubarkeit der kationischen
Lipide.
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Die
wissenschaftliche und Patentliteratur ist voll von Verweisungen
auf die Herstellung und Verwendung von Liposomen: nur die Patentanmeldung
EP 0 279 887 A2 beschreibt
jedoch die Verwendung eines Derivats von Carnitin, d.h. Phosphatidylcarnitin,
gegebenenfalls in Mischungen mit anderen Phospholipiden und Lipiden
(Cholesterin, Phosphatidylcholin, Phosphatidylserin) für die Herstellung
von Liposomen.
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Im
einzigen gegebenen Beispiel, das die Herstellung von Liposomen betrifft,
werden Liposomen von Phosphatidylcarnitin hergestellt, in welche
Propranolol, ein Arzneimittel, das bekannterweise als blutdrucksenkendes
Mittel, als Mittel gegen Angina und als antiarrythmisches Mittel
wirksam ist, eingebaut ist. Das Carnitinderivat wird hier aufgrund
des ausgeprägten
myokardialen Tropismus von Carnitin verwendet. Dieser Tropismus
macht es möglich
zu verhindern, dass die Liposomen durch die Leber metabolisiert
werden und nicht den gewünschten
Zielort erreichen.
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Die
Gegenwart von Phosphatidylcarnitin macht es ebenso möglich, die
Liposomen oral zu verabreichen, da sie gegenüber intestinalen Lipasen beständig sind.
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Es
wurde nun gefunden, dass kationische Lipide mit einer potenten Wirkung,
welche die intracelluläre Zufuhr
biologisch aktiver Verbindungen begünstigt, in den perfluorierten
Estern von Alkanoyl-L-carnitin mit der folgenden Formel (I) bestehen:
worin: R
1 ein
lineares oder verzweigtes Alkanoyl mit 2 bis 20 und vorzugsweise
4 bis 12 Kohlenstoffatomen ist, das gegebenenfalls perfluoriert
ist,
R
2 ein lineares oder verzweigtes
Alkyl mit 4 bis 20 und vorzugsweise 5 bis 12 Kohlenstoffatomen ist,
in welchem mindestens 40% der Wasserstoffatome durch Fluoratome
ersetzt sind;
X
– das Anion einer pharmakologisch
annehmbaren Säure
ist.
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Es
ist folglich ein erfindungsgemäßes Ziel,
kationische Liposomen zur Verfügung
zu stellen, die aus perfluorierten Estern von L-Carnitin der Formel
(I) bestehen. Ester der Formel (I) sind neu und entsprechend stellen
sie ein weiteres erfindungsgemäßes Ziel
dar, zusammen mit ihrer Verwendung bei der Herstellung kationischer
Liposomen.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Ziel
ist die Verwendung eines kationischen Liposoms, wie zuvor definiert,
zur Herstellung eines Medikaments, das nützlich ist für die intracelluläre Zufuhr
einer pharmakologisch aktiven Verbindung, wobei das Medikament ebenso
nützlich
ist zur Steigerung der Wechselwirkung einer pharmakologisch aktiven
Verbindung mit Zellmembranrezeptoren. Insbesondere ist erfindungsgemäß die pharmakologisch
aktive Verbindung ein Gen, das gegebenenfalls in einem geeigneten
Vektor enthalten ist. Folglich ist das durch die vorliegende Erfindung
zur Verfügung
gestellte Medikament nützlich
für die
Gentherapie, z.B. wenn das Gen β-Gal
ist.
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Beispiele
von R1, jedoch nicht ausschließlich diese,
sind: Acetyl, Propionyl, Butyryl, Valeryl, Isovaleryl, Undecanoyl,
Lauroyl, Tridecafluorheptanoyl, Heptadecafluornonanoyl, Heptacosafluormyristoyl,
Pentadecafluoroctanoyl und 5H-Octafluorpentanoyl.
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"Perfluoriert" meint hier, dass
R2 ein Alkyl ist, in welchem mindestens
40% der Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sind. Beispiele
solcher Alkyle, jedoch nicht ausschließlich diese, sind:
- – 1,1H-2,2H-Tridecafluoroctyl;
- – 1,1H-2,2H-3,3H-Pentafluorpentyl;
- – 1,1H-2,2H-Nonafluorhexyl;
- – 1,1H-2,2H-3,3H-4,4H-5,5H-6,6H-Nonafluordecyl;
- – 1,1H-2,2H-Heptadecafluordecyl;
- – 1,1H-2,2H-Heinicosafluordodecyl;
und
- – 1,1H-Tricosafluordodecyl.
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Mit
pharmakologisch akzeptabler Säure
ist das Anion einer Säure
gemeint, das keine ungewollten toxischen oder Nebenwirkungen erzeugt.
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Diese
Säuren
sind Pharmakologen und Fachleuten in der pharmazeutischen Technik
gut bekannt.
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Beispiele
dieser Anionen, jedoch nicht ausschließlich die aufgelisteten, sind:
Chlorid; Bromid; Iodid; Aspartat; Säureaspartat; Citrat, Säurecitrat;
Tartrat; Mucat; Phosphat; Säurephosphat;
Fumarat, Säurefumarat,
Glycerophosphat; Glucosephosphat; Lactat; Maleat; Säuremaleat;
Orotat; Oxalat; Säureoxalat;
Sulfat, Säuresulfat;
Trichloracetat, Trifluoracetat und Methansulfonat.
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Nachfolgend
wird eine Anzahl nicht ausschließlicher Beispiele zur Herstellung
von erfindungsgemäßen Verbindungen,
die hier beschrieben sind, gegeben.
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Beispiel 1
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Herstellung von Undecanoyl-L-carnitinchlorid-1,1H-2,2H-heptadecafluordecylester
(ST 1223).
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Vorher
im Vakuum bei 40°C
getrocknetes Undecanoyl-L-carnitinchlorid (6,6 g; 0,018 mol) wurde
in 20 ml wasserfreiem CH2Cl2 aufgelöst. Thionylchlorid
(2,2 ml; 0,03 mol) wurde zur so erhaltenen Lösung bei 0°C unter Rühren zugetropft.
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Die
resultierende Mischung, deren Temperatur auf Raumtemperatur erhöht wurde,
wurde für
3 h weiter gerührt.
Später
wurde die Lösung
im Vakuum auf konzentriert, der Rückstand mit CH2Cl2 (50 ml, dreimal) aufgenommen und die Lösung erneut
im Vakuum auf konzentriert.
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Das
so erhaltene Undecanoyl-L-carnitin-Säurechlorid wurde in 20 ml wasserfreiem
Methylenchlorid gelöst
und die erhaltene Lösung
bei 0°C
zu 1,1H-2,2H-Heptadecafluordecanol-l (13,9 g; 0,03 mol) hinzugetropft.
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Die
resultierende Mischung wurde für
eine Nacht bei Raumtemperatur gerührt.
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Danach
wurde Petrolether zur vollständigen
Ausfällung
eines öligen
Produkts zugegeben.
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Das
rohe Reaktionsprodukt wurde durch Silicagelchromatographie aufgereinigt,
wobei mit CHCl3 eluiert wurde; CHCl3 : MeOH 95 : 5.
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4
g der Titelverbindung wurden erhalten. Ausbeute 27%. Elementaranalyse
für C
28H
39NO
4F
17Cl:
[α]
25 D = –8,98 (C
= 1% MeOH)
HPLC
Säule: μBondapak – C18 (10 μm) 3,9 mm × 300 mm
Temp.:
30°C
Elutionsmittel:
CH
3CN/NH
4H
2PO
4 50 mM 80120
pH = 3,0
Flussgeschwindigkeit 1,0 ml/min
Rt 19,42 min
NMR
CDCl
3 δ 5,7
(1H, m,
CHOCO); 4,5–4,4 (3H,
d + t, N
+-
CHH
+ COOCH
2); 4,0 (1H, m, N
+CH
H); 3,5 (9H, s, (CH
3)
3 +N);
3,0–2,8
(2H, m, CH
2COO); 2,5 (2H, m, CH
2-CF
2); 2,3 (2H, t, OCOCH
2);
1,5 (2H, m, OCOCH
2 CH 2); 1,2 (14H,
s, (CH
2)
7); 0,9
(3H, t, CH
3).
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Beispiele 2–6
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Die
folgenden Verbindungen:
Lauroyl-L-carnitinchlorid-1,1H-2,2H-tridecafluoroctylester
(ST 1221);
Lauroyl-L-carnitinchlorid-1,1H-2,2H-3,3H-pentafluorpentylester
(ST 1245);
Undecanoyl-L-carnitinchlorid-1,1H-2,2H-nonafluorhexylester
(ST 1246);
Isovaleryl-L-carnitinchlorid-1,1H-2,2H-3,3H-4,4H-5,5H-6,6H-nonafluordecylester
(ST 1192); und
Undecanoyl-L-carnitinchlorid-1,1H-2,2H-3,3H-4,4H-5,5H-6,6H-nonafluordecylester
(ST 1193),
wurden hergestellt wie in Beispiel 1 beschrieben.
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Die
nachstehende Tabelle gibt eine Anzahl signifikanter physikochemischer
Daten für
diese Verbindungen an:
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Beispiel 7
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Herstellung von ST 1223
Liposomen, die in Transfektionsassays verwendet werden.
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Liposomen
werden ausgehend von 200 mg ST1223, das nach dem in Beispiel 1 beschriebenen
Verfahren synthetisiert worden war, hergestellt und in 50 ml Chloroform
gelöst
(Lösungsphase).
Das Lösungsmittel
wurde dann unter Vakuum über
Nacht (t 30–40°C; 900–700 mmHg,
d.h. 52,60–92,10
kPa) entfernt. Die Probe wurde mit entionisiertem Wasser auf eine
Endkonzentration von 5 mM hydratisiert (Hydratisierungsphase). Die
Liposomen werden dann der Ultraschallbehandlung für 1 h in
Intervallen von 10 s unter Verwendung eines Ultraschallbads unterzogen.
Die so hergestellten Liposomen ergaben unilaminare Vesikel.
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Beispiel 8
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Bildung von ST1223-DNA-Liposomenkomplex
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Der
Liposomen-DNA-Komplex wurde hergestellt durch Vermischen der zwei
nachfolgend beschriebenen Lösungen
A und B:
Lösung
A: 2,5 μg
Plasmid-DNA (pCMV/β-Gal,
7.200 Basenpaare, verwendet für
die Expression des Enzyms β-Galactosidase)
wurden steril in 50 μl
HBS (HEPES 20 mM; NaCl 150 mM, pH 7,4) verdünnt.
Lösung B: Das gemäß Beispiel
7 hergestellte Liposom wurde in destilliertem H2O
auf eine Konzentration von 1,29 mM verdünnt und 15 μl dieser Lösung wurden in 50 μl destilliertem
H2O verdünnt.
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Die
zwei Lösungen
wurden vermischt, indem sie behutsam gerührt wurden und bei Raumtemperatur für 10–30 min
inkubiert.
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Dieses
Verfahren macht es möglich,
die DNA, welche eine negative Nettoladung besitzt, mit den positiv
geladenen Liposomen zu komplexieren und so den Liposomen-DNA-Komplex
zu bilden.
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Beispiel 9
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Transfektionsprotokoll
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Die
Wirksamkeit der durch kationische Liposomen vermittelten Transfektion
wird von zahlreichen Parametern beeinflusst, wie der Gegenwart oder
Abwesenheit von Serum im Inkubationsmedium, sowie der Zelllinie
und -dichte. Die DNA-Transfektion wurde gemäß den nachstehenden Parametern
durchgeführt:
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Gegenwart von Serum:
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Es
ist in der Literatur bekannt, dass die Gegenwart von Serum im Inkubationsmedium
die durch kationische Liposomen vermittelte Transfektion inhibieren
kann. Unsere Experimente wurden in Gegenwart von Serum (fötales Kälberserum)
durchgeführt
und zeigten dennoch Aktivität.
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Wahl der Zelllinien:
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Die
pCMV-β-Gal-Plasmid-DNA-Transfektion
wurde an vier unterschiedlichen Zelllinien durchgeführt:
HeLa | humanes
Uteruskarzinom |
MCF-7 | humanes
Mammaadenokarzinom |
Caco2 | humanes
Colonadenokarzinom |
T98-G | humanes
Glioblastom |
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Zelldichte:
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Die
durch kationische Liposomen vermittelte pCMV-β-Gal-DNA-Transfektion in den verschiedenen Zelllinien
HeLa, MCF-7, Caco2 und T98-G wurde bei unterschiedlichen Zelldichten
durchgeführt:
100.000 Zellen/Schale, 200.000 Zellen/Schale und 300.000 Zellen/Schale.
Die größte Transfektionseffizienz
wurde beobachtet bei einer Dichte von 100.000 Zellen/Schale für Caco2,
200.000 Zellen/Schale für
HeLa und MCF-7 und 300.000 Zellen/Schale für T98-G.
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Die
Transfektionsmethode wird nachfolgend beschrieben:
Man ließ HeLa-,
MCF-7-, Caco2- und T98-G-Zellen für 48 h (37°C, 5% CO
2)
in den folgenden Wachstumsmedien wachsen:
HeLa-Zellen | RPMI-1640
(HyQ-Katalog), 10% fötales
Kälberserum, 1%
L-Glutamin, 1% Streptomycin,
1% Penicillin |
MCF-7-Zellen | DMEM
(Dulbecco modified Eagle Medium, SIGMA-Katalog), 10% fötales Kälberserum,
1% L-Glutamin, 1% Streptomycin, 1% Penicillin |
Caco2-Zellen | EMEM
(essential Minimum Eagle Medium, SIGMA-Katalog), 15% fötales Kälberserum,
1% L-Glutamin, 1% Streptomycin, 1% Penicillin |
T98-G-Zellen | EMEM
(essential Minimum Eagle Medium, SIGMA-Katalog), 10% fötales Kälberserium,
1% L-Glutamin, 1% Streptomycin, 1% Penicillin. |
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Zellen
wurden in unterschiedlichen Dichten (100.000 Zellen/Schale, 200.000
Zellen/Schale, 300.000 Zellen/Schale) in Petri-Schalen (Corning oder
Falcon), die einen Durchmesser von etwa 3 cm hatten, ausplattiert
und in 2 ml Medium für
18 h inkubiert, bevor sie behandelt wurden.
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Nach
Ersetzen des Mediums durch 2 ml frisches Medium wurden 100 μl Liposomen-DNA-Komplex, der
hergestellt worden war, wie in Bespiel 8 beschrieben, zu jeder Schale
gegeben; nach behutsamem Rühren wurden
die Schalen für
5 h (37°C,
5% CO2) in einen Thermostaten gestellt.
Später
wurden die Zellen dreimal mit 5 ml PBS-Puffer (Gibco-Katalog) pro
Schale gewaschen und für
16 h (37°C,
5% CO2) inkubiert.
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Nach
dreimaligem Waschen der Zellen mit 5 ml PBS-Puffer (Gibco-Katalog) pro Schale
wurden die Gesamtproteine extrahiert und 50 μg von diesen in jede Vertiefung
gegeben, um die β-Galactosidase-Produktion
durch Immunoassay (β-Gal
ELISA-Kit, Boehringer) zu bestimmen.
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Beispiel 10
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Tabelle
1 und 1 geben die Expressionsdaten
für das
Enzym β-Galactosidase (β-Gal) als
Funktion der Zelldichte in HeLa-Zellen an. Die Transfektionsmethode
ist in Beispiel 9 beschrieben.
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Tabelle
2 und 1 geben die Expressionsdaten
für das
Enzym β-Galactosidase (β-Gal) als
Funktion der Zelldichte in MCF-7-Zellen an. Die Transfektionsmethode
ist in Beispiel 9 beschrieben.
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Tabelle
3 und 1 geben die Expressionsdaten
für das
Enzym β-Galactosidase (β-Gal) als
Funktion der Zelldichte in T98-G-Zellen an. Die Transfektionsmethode
ist in Beispiel 9 beschrieben.
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Tabelle
4 und 1 geben die Expressionsdaten
für das
Enzym β-Galactosidase
(β-Gal)
als Funktion der Zelldichte in Caco2-Zellen an. Die Transfektionsmethode
ist in Beispiel 9 beschrieben.
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