ES2217050T3 - El uso de dominios aislados de colageno de tipo iv para modificar las interacciones de celulas y tejidos. - Google Patents

El uso de dominios aislados de colageno de tipo iv para modificar las interacciones de celulas y tejidos.

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ES2217050T3 ES01108470T ES01108470T ES2217050T3 ES 2217050 T3 ES2217050 T3 ES 2217050T3 ES 01108470 T ES01108470 T ES 01108470T ES 01108470 T ES01108470 T ES 01108470T ES 2217050 T3 ES2217050 T3 ES 2217050T3
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Abstract

Un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV para uso como un medicamento, en que el monómero NC1 se selecciona del grupo que comprende un monómero NC1 á1, un monómero NC1 á2 y sus construcciones de proteína sustancialmente homólogas que contienen los elementos estructurales específicos dentro del correspondiente dominio NC1 que lleva actividad.

Description

El uso de dominios aislados de colágeno de tipo IV para modificar las interacciones de células y tejidos.
Fundamento de la invención Campo de la invención
Esta invención se refiere a productos para la manipulación de interacciones intercelulares e intertisulares. Esta invención proporciona productos para la inhibición de la adherencia celular a los componentes de la matriz extracelular o para la formación de la lámina basal funcional, y para la manipulación de los resultados de esas uniones. Así, esta invención está relacionada con la modificación de interacciones celulares, con componentes extracelulares, y con métodos para mantener el fenotipo celular, la etapa de desarrollo, y la plasticidad in vivo e in vitro.
Descripción de la técnica anterior
La membrana basal (lámina basal) es una matriz extracelular semejante a una hoja que es un componente básico de todos los tejidos. La lámina basal asegura la compartimentación de los tejidos, y actúa como un filtro para las sustancias que se mueven entre los compartimentos de los tejidos. Típicamente, se ha comprobado que la lámina basal está estrechamente asociada con un epitelio, o endotelio en todos los tejidos de un animal incluyendo vasos y capilares. Los componentes de la lámina basal son segregados por células, y después se juntan para formar una intrincada red extracelular. La formación de una lámina basal biológicamente activa es importante para el desarrollo y diferenciación de las células asociadas.
El Cnidario, Hidra, es un metazoo simplificado cuya pared abdominal está compuesta por una bicapa epitelial, con una matriz extracelular intermedia (ECM) denominada la mesoglea. Se ha expuesto que la mesoglea de Hidra tiene un número de componentes vistos en la ECM o en las membranas basales de invertebrados y vertebrados superiores, que incluyen: fibronectina, colágeno de tipo IV, laminina, y proteoglicano de sulfato de heparano. La agregación de células de Hidra implica la morfogénesis completa de hidra adulta de pelets de células de hidra disociadas. Durante este proceso de desarrollo, las células se segregan a una bicapa epitelial y después depositan una nueva matriz extracelular antes de la continuación de la morfogénesis.
Los componentes de la matriz extracelular (ECM) desempeñan un papel crítico en el desarrollo mediante sus influencias sobre los procesos celulares como división celular, unión celular, migración celular, y diferenciación celular (estudiado por Timpl. et al., 1989, Int. Rev. Pathol. 29:1-112; Damsky y Bernfield, 1991, Current Opn. en Cell Bio. 3:777-778; Hynes, 1992, Cell 69:11-25). Se ha establecido que las interacciones ECM/célula las utilizan una amplia gama de especies de vertebrados e invertebrados para incluir esos organismos primitivos como el Cnidario Hidra. Hidra es particularmente interesante en este aspecto porque representa uno de los primeros filos animales en desarrollar capas de tejido definidas separadas por una matriz extracelular acelular (Field et al., 1988, Science 239:748-752). Estudios previos han mostrado que la ECM de hidra, denominada mesoglea, contiene colágeno de tipo IV, laminina, fibronectina, y proteoglicanos de sulfato de heparano (Sarras et al., 1991a Dev. Biol. 148:481-494). Estas moléculas se sintetizan continuamente y se depositan en la mesoglea de hidra adulta y durante la regeneración de la cabeza de la hidra (Hausman et al., 1971, J. Exp. Zool. 177:435-446). Otros estudios han mostrado que los procesos relativos al desarrollo en la hidra como la regeneración de la cabeza dependen de la formación normal de ECM. Estos estudios han mostrado que la regeneración de la cabeza en la morfogénesis de la hidra puede bloquearse utilizando fármacos que perturban la reticulación del colágeno o fármacos que interfieren en la extensión de la cadena GAG de proteoglicano (Sarras et el., 1991b, Dev. Biol.. 148:495-500). Estos estudios se han extendido muy recientemente al sistema de agregado celular de la hidra. Este sistema permite formar un pelet con células de hidra disociadas y después observar la regeneración completa del organismo de hidra adulta dentro de 72-96 horas a través del proceso de citodiferenciación y morfogénesis (Gierer et al., 1972, Nature New Biol. 239:98-101; Sarras et al., 1993, Dev. Biol. 157:383-398). Los estudios de desarrollo de la hidra y el papel de la ECM se han centrado enormemente en un enfoque químico (Barzanski et al., 1974, Amer. Zool. 14:575-581; Sarras et al., 1991ab, supra). Los agregados celulares de la hidra forman primeramente una bicapa epitelial y después depositan una ECM antes de que ocurra la morfogénesis. El desarrollo de agregados celulares de hidra se bloquea por fármacos que perturban la formación de ECM y por anticuerpos surgidos contra la mesoglea de hidra aislada. Estos estudios demuestran que pueden llevarse a cabo estudios funcionales de interacción de ECM/célula bajo condiciones in vivo con la hidra.
Se ha descrito que el colágeno de tipo IV es un componente estructural principal de membranas basales y también se ha descrito que está presente en la ECM de la hidra. La forma protomérica de colágeno de tipo IV se forma como un heterotrímero compuesto por un número de diferentes cadenas de subunidades llamadas \alpha1(IV), \alpha2(IV) etc. El heterotrímero de colágeno de tipo IV se caracteriza por tres dominios estructurales distintos: el dominio no colagenoso (NC1) en el extremo carboxilo; el dominio colagenoso de triple hélice en la región media, y el dominio colagenoso 7S en el extremo amino (Figura 1) (Martín et al., 1988, Adv. Protein Chem. 39:1-50; Gunwar et al., 1991, J. Biol. Chem. 266:14088-14094). El colágeno de tipo IV existe como una estructura supramolecular en la ECM y se considera que esta estructura sirve como un armazón que proporciona estabilidad mecánica a la ECM (Timpl et al., 1986, supra) y como andamiaje para la unión y alineación de otras moléculas de la ECM como la fibronectina, laminina, eutectina, y proteoglicanos de sulfato de heparano (Gunwar et al., 1991, supra). La función biológica del colágeno de tipo IV se relaciona críticamente con la formación de una ECM intacta ya que la interrupción de la reticulación del colágeno por \beta-aminopropionitrilo interfiere con la formación de mesoglea y esto conduce a un bloqueo en la morfogénesis de la hidra normal (Sarras et al., 1991b, 1993, supra).
El desarrollo de agregados celulares de la hidra implica morfogénesis completa de estructuras de la hidra adulta dentro de 96 horas a partir de los pelets formados con células de hidra disociadas (Gierer et al., 1972, supra; Sato et al., 1992, Dev. Biol. 151:111-116; Technau et al., 1972, Dev. Biol. 152:117-127; Sarras et al., 1993, supra). Morfológicamente, el desarrollo de agregado celular de la hidra puede dividirse en dos etapas. La etapa inicial es desde el Tiempo 0 a 24 horas cuando los agregados evolucionan desde una masa celular sólida hasta un quiste lleno de líquido donde la pared externa está formada por una bicapa con una ECM intermedia denominada mesoglea. Esta etapa implica clasificación de las células activas entre células ectodérmicas y endodérmicas (Technau et al., 1992, supra) y subsiguiente formación de mesoglea una vez que se ha establecido la bicapa. Las últimas etapas de desarrollo (24-96 horas) implican procesos normalmente asociados con histogénesis de tejidos; es decir, alteraciones en la forma de las capas epiteliales, migración celular, diferenciación celular, y otros procesos que dan lugar a morfogénesis de estructuras de pie, cabeza, y tentáculos. Con relación a las etapas iniciales de desarrollo de agregado celular de la hidra, se ha mostrado que la regeneración de la cabeza en agregados no se debe a agrupación de células desde las regiones de cabeza originales. Se ha sugerido que la regeneración de la cabeza surge de novo (Gierer et al., 1972, supra; Technau et al., 1992, supra) desde focos de gradientes de desarrollo establecidos alrededor del agregado esférico. Esto indica que la diferenciación o transdiferenciación celular en células de la región de la cabeza ocurre activamente durante el desarrollo de agregado celular de la hidra. Además de la información posicional y de las posibles influencias del activador, las células pueden diferenciarse o transdiferenciarse bajo las influencias de otras indicaciones del desarrollo, como las señales que surgen de la ECM.
Estudios previos han mostrado que en los vertebrados, la fibronectina interacciona con varios colágenos durante el montaje de la matriz, incluyendo el colágeno de tipo IV (Carter, 1984, J. Cell. Bio. 99:105-114). Además, anticuerpos del dominio de unión de colágeno a fibronectina tenían la capacidad de bloquear el montaje de la ECM por fibroblastos de pulmón humano. (MacDonald, 1982, J. Cell. Biol. 92:485-492). Otros estudios suscitan dudas en cuanto a la interacción, mientras que los anticuerpos policlonales del dominio de unión de colágeno bloqueaban el montaje de la ECM, los dominios de unión de colágeno purificado no tenían efectos inhibidores en este proceso de montaje (McDonald et al., 1987, J. Biol.Chem. 262:2957-2967; Hynes, 1990, Cell 48:549-554). En general, la fibronectina (FN) aparece antes que el colágeno durante el montaje de matrices de vertebrados, sin embargo, en el caso de la formación de la ECM de la hidra, FN y colágeno aparecen en la mesoglea aproximadamente al mismo tiempo, basándose en estudios inmunofluorescentes. El colágeno de tipo IV se ha considerado importante en varias enfermedades humanas (Hudson et al., 1993, J. Biol. Chem 268:26033-26036). La membrana basal y sus componentes tienen un papel en la adhesión, migración y proliferación de linfocitos (Li and Chuang, 1992, J. Of Immunology 149:3174-3181).
Neilson et al (J.Biol..Chem.268:8402-8405 (1993) describe que el dominio NC1 de la cadena \alpha3(IV) es la diana probable para autoanticuerpos en pacientes con síndrome de Goodpasture (GP); y describe experimentos en los que la especificidad de anticuerpos GP para los cinco dominios NC1 se determinaba utilizando dominios NC1 recombinantes como el antígeno. Se encontró que los anticuerpos GP reaccionaban fuertemente con el dominio NC1 \alpha3(IV) pero no eran reactivos cuando se ensayaban contra los otro cuatro monómeros recombinantes.
El papel fundamental que la ECM desempeña en el desarrollo de tejido y en la diferenciación celular reverbera a través de filos y reinos, para centrar la atención sobre los elementos más básicos que se requieren para todas las interacciones tisulares. El uso de la hidra como sistema modelo para el estudio de elementos básicos de interacciones tisulares complejas es un enfoque reconocido. En lugar de intentar deducir la interacción entre tejidos aislados de animales de orden superior, los mismos mecanismos y fenómenos se pueden examinar in vivo utilizando el animal completo, en la hidra . Este enfoque ha conducido al uso de la hidra para estudiar los efectos de la glucosa sobre la morfología de tejidos, en un esfuerzo por comprender los efectos patológicos de la diabetes no controlada sobre los glomérulos del riñón, con excelentes resultados (Zhang et al., 1990., Diabetología 33:704-707).
Recientemente el gen \beta 1-laminina se ha clonado y secuenciado en la hidra, mostrando homología muy alta con el equivalente humano. Están presentes asimismo los homólogos de fibronectina y colágeno. Es un reflejo sobre el papel fundamental que desempeña la ECM, que la hidra y los animales de orden superior muestran las mismas interacciones de matriz celular, con componentes, interacciones de dominios, moléculas receptoras y respuesta a señales extracelulares similares. Las hormonas de mamíferos e incluso de humanos, cuando se aplican a la hidra dan lugar a bioactividad y efectos sobre el comportamiento celular. Es posible usar insulina humana para estimular la proliferación celular en la hidra. Otras actividades de cruce con filos pueden atribuirse también a muchos factores de crecimiento, es decir, EGF (factor de crecimiento epidérmico), TGF-\beta, FGF (factor de crecimiento de fibroblasto), PDGF, por nombrar algunos.
Métodos específicos para la manipulación de la adherencia celular a la ECM, lámina basal, o células adyacentes serían útiles para la manipulación in vivo de tejidos y células. Los métodos que estudian los elementos fundamentales de las interacciones básicas de células y tejidos son aplicables a todos los sistemas que muestran características similares. Esos usos in vivo incluyen, pero no están limitados a, inhibición de formación de lámina basal, inhibición de interacciones de lámina basal/célula, y estimular a las células a mantener la plasticidad fenotípica. Esos métodos serán también útiles para la manipulación in vitro de células y tejidos, por ejemplo, en el mantenimiento de cultivos celulares en estados no diferenciados u homeostáticos, dispersión no enzimática de células desde las uniones, o el mantenimiento de células confluentes en suspensión para propagación, mantenimiento, o recogida.
Sumario de la invención
Esta invención proporciona un monómero NC1 aislado de colágeno tipo (IV) para usar como un medicamento para inhibir la formación de la membrana de la lámina basal, en el desarrollo de células o tejidos. Los monómeros empleados en esta invención pueden usarse en métodos para cultivo in vitro de células que comprenden poner en contacto las células a cultivar con los monómeros para interrumpir la formación de la lámina basal o los contactos de la matriza extracelular. Los monómeros empleados en esta invención pueden también utilizarse en métodos para interrumpir la formación de la membrana de la lámina basal en tejidos poniendo en contacto los tejidos con los monómeros.
El monómero NC1 aislado de colágeno de tipo (IV) empleado en esta invención se selecciona del grupo que comprende un monómero NC1\alpha1, un monómero NC1 \alpha2 y sus construcciones de proteína sustancialmente homólogas que contienen los elementos estructurales específicos dentro del dominio NC1 correspondiente que comporta actividad.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 presenta dos diagramas que ilustran segmentos de colágeno de tipo IV (1A) y fragmentos proteolíticos de fibronectina (1B) usados en experimentos de bloqueo.
La figura 2 es una gráfica que ilustra los resultados del bloqueo de la morfogénesis de agregados observada con monómero de dominio NC1 y dominio 7S, cuando todos los fragmentos de colágeno de tipo IV se comparan sobre una base molar igual (0,03 \muM). De izquierda a derecha: grupo de control; monómero NC1; hexámero NC1; fragmento 80-kDa de NC1; dominio 7S; colágeno de tipo I. Los resultados se dan como % de la morfogénesis normal como se describe más abajo.
La figura 3 son fotografías de agregados celulares de la Hidra representativos a 96 horas de desarrollo. Los agregados control desarrollan estructuras de cabeza y de tentáculos (3A), mientras que los agregados bloqueados permanecen en la etapa quística característica de 24 horas (3B). Bar= 286 \mum.
La figura 4 es una gráfica que ilustra el efecto de la concentración de los distintos agentes de bloqueo. A concentraciones más altas, el hexámero del dominio NC1 también mostró efectos de bloqueo, mientras que no se observó bloqueo con el fragmento 80-kDa de NC1. De izquierda a derecha, grupo de control; monómero NC1 (MN) a 0,03 \muM; hexámero de dominio NC1 (HEX) a 0,1 \muM; hexámero de dominio NC1 (HEX) a 0,03 \muM; fragmento 80-kDa de dominio NC1 a 0,3 \muM; fragmento 80-kDa (80K) a 0,03 \muM; dominio 7S (7S)a 0,1 \muM; y dominio 7S (7 S) a 0,03 \muM. Los resultados se dan como % de morfogénesis normal como se describe más abajo.
La figura 5 son micrografías electrónicas que muestran la morfología representativa de las células de agregadoscontrol (5A) y bloqueados (5B).
La figura 6 es una gráfica que ilustra los resultados del bloqueo de la formación de agregados utilizando fibronectina y fragmentos proteolíticos derivados de fibronectina. Todas las muestras se ensayaron a 0,5mg/ml. De izquierda a derecha: BSA (Albúmina de Suero Bovino); FN (fibronectina intacta); 120K ( el fragmento 120-kDa de FN); 45 K (el fragmento 45-kDa de FN); 40K (el fragmento 40-kDa de FN); 30K (el fragmento kDa de FN); RGDS (péptido RGDS); RADS (péptido RADS). Los resultados se dan como % de morfogénesis normal como se describe más abajo. Se observó que la efectividad de los agentes de bloqueo es dependiente de la concentración.
La figura 7 ilustra los efectos de los dominios NC1 (Hexámero) y 7S de colágeno de tipo IV a concentración de 50 \mug/ml sobre la angiogénesis de cultivos orgánicos de aorta torácica de ratón.
La figura 8 ilustra los efectos del dominio NC1 (Hexámero) de colágeno de tipo IV sobre la angiogénesis de cultivos orgánicos de aorta torácica de ratón. Las concentraciones de dominio empleadas en este experimento fueron 0 \mug/ml (control); 0,5 \mug/ml; 5 \mug/ml; y 50 \mug/ml.
La figura 9 ilustra los efectos del dominio 7S de colágeno de tipo IV sobre la angiogénesis de cultivos orgánicos de aorta torácica de ratón. Las concentraciones de dominio empleadas en este experimento fueron 0 \mug/ml (control); 0,5 \mug/ml; 5 \mug/ml y 50 \mug/ml.
La figura 10 son fotografías de segmentos de aorta torácica de ratón incrustados en Matrigel^{TM} (matriz de membrana basal EHS, Collaborative Biomedical Products, Bedford, MA) a 5 días de cultivo. Muestra control (0 \mug/ml de dominios NC1 (Hexámero) y 7S mostraron crecimiento de microvasos desde el tejido cultivado a la matriz (figura 10A). En contraste, la angiogénesis se inhibió en muestras cultivadas con 50 \mug/ml de dominio 7S (figura 10B) y dominio NC1 (Hexámero) (figura 10C).
Descripción de las realizaciones preferidas
Nuestros estudios indican que la formación de una estructura de ECM apropiada que implique fibronectina y colágeno de tipo IV es crítica para el desarrollo de agregado celular y que la perturbación de la formación de ECM afecta adversamente a la división celular y la diferenciación celular durante la formación de agregaciones celulares complejas y tejidos. Esto es ilustrativo del papel crítico que la ECM y las interacciones célula-ECM desempeñan en el desarrollo de tejidos en todos los organismos que tienen tejidos diferenciados. Cambios estructurales en la mesoglea, la inhibición de la proliferación celular, y cambios en los modelos de diferenciación celular acompañaron el bloqueo de los agregados celulares. Así el colágeno de tipo IV es crítico en las primeras etapas del desarrollo de agregados celulares cuando la mesoglea se forma inicialmente y que la perturbación del desarrollo de agregado por fragmentos de colágeno de tipo IV da lugar a alteraciones en la división celular de la hidra, la diferenciación celular, y la morfogénesis. Se ha demostrado que los componentes de colágeno de tipo IV son un elemento crítico en la formación de cualquier célula para contactos con ECM (lámina basal), y que aplicando los métodos apropiados, esta interacción puede manipularse de manera predecible.
Los ejemplos siguientes ilustran realizaciones específicas de esta invención, y de ningún modo pretenden limitar la amplitud o el alcance de las enseñanzas de esta memoria descriptiva. Un experto en la técnica ordinario será capaz de seguir las enseñanzas de esta memoria descriptiva y usar esta invención en otras realizaciones específicas.
Ejemplo 1 Interrupción del desarrollo de agregados celulares
Todos los experimentos utilizaron Hidra vulgarie (antes llamada Hidra attenuata). Los animales se cultivaron como se ha descrito antes (Sarras et al., 1991a, supra) y no se alimentaron durante 24 horas antes de su uso.
Los agregados de células de la hidra se prepararon conforme a Gierer et al., (1972, supra) con modificaciones descritas por Sarras et al. (1993, supra ). Se incubaron en placas de microvaloración (NUNS, Dinamarca) con un agregado/pocillo/10\mul de solución de incubación o en placas de 96 pocillos (Falcon) con tres a cinco agregados/pocillo/
50\mul de solución de incubación. Se utilizaron antibióticos en todas las etapas de preparación de los agregados para asegurar que los agregados utilizados en este estudio estaban libres de cualquier población bacteriana simbiónica (Sarra et al., 1993, supra). Varios análisis indicaron que los agregados estaban libres de bacterias bajo estas condiciones. A 24 horas de la formación de pelets celulares, los agregados celulares de la hidra desarrollan uniones tabicadas entre células epiteliales (Wood et al., 1980, J. Ultrastruc. Res. 70:104-117). Esas uniones previenen la introducción de macromoléculas desde el medio a la mesoglea. Por consiguiente, se añadieron sondas de matriz exógenas (por ejemplo, fibronectina, colágeno de tipo IV, y fragmentos de colágeno de tipo IV, péptidos o anticuerpos) al medio de cultivo inmediatamente después de la formación de pelet (Tiempo 0). Los agregados celulares de hidra de control se cultivaron en un medio con hidra, albúmina de suero bovino (Sigma, St. Louis, MO), o suero no inmune. Después de 24 horas de incubación, los agregados (tanto los grupos de control como los experimentales) se transfirieron a un medio con hidra de nueva aportación y se continuó el cultivo hasta 96 horas.
Los fragmentos de colágeno de tipo IV empleados en los experimentos de bloqueo se ilustran en la Figura 1 (A). El monómero NC1- una mezcla de \alpha1 (IV) + \alpha2 (IV); hexámero NC1; fragmento truncado protomérico 80-kDa (dominio NC1 con parte de triple hélice); y el dominio 7S, se obtuvieron todos de digestión enzimática y subsiguiente purificación cromatográfica de la membrana basal de glomérulos de riñón bovino o membrana basal de cristalino bovino (Langeveld et al., 1988, J. Biol. Chem. 263:10481-10488; Gunwar et al., 1991, supra). Anticuerpos para el dominio NC1 (\alpha1(IV) +\alpha2 (IV)) de colágeno de tipo IV se generaron en conejos inmunizados con subunidades monoméricas aisladas del dominio globular de colágeno de tipo IV de membrana basal de riñón de bovino (Langeveld et al., 1988, supra). Las concentraciones molares exactas de estos fragmentos se determinaron por espectrofotometría y análisis de composición de aminoácidos.
Los criterios para la morfogénesis fueron como sigue. El desarrollo morofológico de agregados celulares de la hidra se estudió utilizando un microscopio de disección (Wild, Herbugg). Se realizaron observaciones en tiempo 0, 24, 48, 72 y 96 horas. La morfogénesis normal de agregados celulares de la hidra entre el tiempo 0 y 96 horas ha sido descrita anteriormente por Gierer et al., (1972, supra) y Sarras et al., (1993, supra). Se consideró desarrollo anormal (bloqueo) de agregados celulares de hidra si un agregado no mostraba estructuras de cabeza y de tentáculos a las 96 horas, es decir, se mantenía en estado quístico (Figura 3). Se calculó el porcentaje de agregados con estructuras de cabeza y de tentáculos a 96 horas de desarrollo y se reunieron y se representaron gráficamente los datos para cada grupo de diferentes experimentos. Se investigó un mínimo de cinco agregados por grupo y todos los experimentos se repitieron al menos tres veces, excepto donde se indica. Utilizando un ensayo estadístico ANOVA, se tomó un valor P<0,05 como el nivel de diferencia significativa en todos los grupos analizados. El ensayo estadístico ANOVA se utilizó para los análisis de todos los datos.
Se utilizó la microscopía electrónica de transmisión para examinar la delicada estructura y morfología de agregados testigos y tratados. Los agregados celulares se sumergieron en fijador de Karnovsky durante la noche a 4ºC y después se fijaron en OsO_{4} durante 1 hora. Las muestras se tiñeron después en bloc en acetato de uranil-magnesio al 0,5% durante la noche a 4ºC. Después de deshidratación e infiltración, las muestras se incrustaron en resina de Spurr. Se cortaron bloques con un microtomo de Reichert-Jung, se tiñeron con acetato de uranilo y citrato de plomo, y se observaron con un microscopio electrónico de transmisión JOEL 100S. El análisis de la morfometría se llevó a cabo como se ha descrito previamente. (Zhang et al., supra).
La exploración inmunofluorescente para el colágeno de tipo IV en agregados celulares de hidra en distintos momentos después de la formación de pelet mostró que la señal se detectaba a las 48 horas y se hacía progresivamente más fuerte y permanecía en la mesoglea todo el tiempo en todas las últimas etapas del desarrollo de agregados. La Figura 3 ilustra la apariencia típica de agregados testigos y bloqueados a las 96 horas. Los agregados bloqueados fracasaron en desarrollarse más allá de la etapa de 24 horas, y permanecieron en una etapa quística o se desagregaron en células disociadas a las 96 horas.
Como se ve en la Figura 2, el dominio 7S, y monómeros del dominio NC1 fueron los más efectivos en el bloqueo de la morfogénesis de agregados celulares de la hidra cuando se ensayaron fragmentos sobre una base molar igual. Este bloqueo era también dependiente de la concentración. El hexámero NC1 bloqueó el desarrollo de agregado a concentraciones más altas, mientras que el fragmento 80-kDa no mostró ningún efecto (Figura 4). El anticuerpo del dominio NC1 tenía un efecto de bloqueo similar (Tabla 1).
TABLA 1 Tratamiento con anticuerpo de componentes de ECM
1
^{a} Se presentan datos como valores medios \pm SEM (Nº con morfogénesis normal/Nº total tratado
^{b} Ab policlonal contra dominio NC1 (\alpha1(IV) + \alpha2(IV) de colágeno de tipo IV de riñón bovino
^{c} Ab policlonal Ab (ICN BIochemicals) contra fibronectina de plasma humano.
Estudios similares se llevaron a cabo utilizando fibronectina como el inhibidor. La fibronectina intacta, fragmentos proteolíticos, péptidos RGDS, y anticuerpos contra fibronectina se ensayaron para determinar su efecto sobre el desarrollo de agregados celulares de hidra. La Figura 1 (B) muestra un diagrama de la relación de los distintos fragmentos a la molécula de fibronectina intacta. De éstos, se encontró que la fibronectina intacta y su dominio de unión a gelatina 30-kDa eran efectivos a 0,5 mg/ml en el desarrollo de agregados de bloqueo (Figura 6). Se observó que la efectividad era dependiente de la concentración. Los anticuerpos contra fibronectina también mostraron efectos de bloqueo (Tabla 1).
Se utilizó microscopía electrónica de transmisión para estudiar la ultraestructura de la mesoglea bajo las influencias de cada molécula de ECM introducida exógenamente. Los agregados bloqueados se procesaron para análisis TEM en distintos tiempos de los experimentos y la estructura de su mesoglea se comparó con la de los agregados testigos fijados en el mismo momento de desarrollo. En comparación con las muestras de grupo testigo (Figura 5A), la ultraestructura de la mesoglea en agregados bloqueados era reducida en espesor, irregular en su borde epitelial, y parecía haber perdido algo de su organización ultraestructural normal (Figura 5). El análisis morfométrico (Tabla 2) indicó que la mesoglea de agregados bloqueados se reducía en espesor aproximadamente un 50% en comparación con los testigos y esta reducción era significativa, como se determinó utilizando análisis estadísticos. Esta ultraestructura de la mesoglea alterada se observó con todos los reactivos de bloqueo ensayados.
TABLA 2 Análisis morfométrico
Tratamiento (desde tiempo 0 a 24 h.) Anchura epitelial de mesoglea
reflejada por mediciones del área^{a}
BSA^{b} 1434 \pm 582 \
30 kDa^{c} 724 \pm 245*
Anti-FN^{d} 969 \pm 458*
\begin{minipage}[t]{140mm}^{a} Todas las micrografías de EM de mesoglea se tomaron a aumentos de 8.000 y se imprimieron al mismo tamaño. Una sección de 80 mm se puso entre corchetes a lo largo de la mesoglea sobre cada placa y se midió la mesoglea dentro del área entre corchetes por el programa informático, SigmaScan. La unidad de medida es mm^{2}. Bajo estas condiciones de medida, el área refleja los cambios de anchura interepitelial como se ha descrito antes (Zhang et al., 1990, supra). Los datos se representan como valores medios \pm SD.\end{minipage}
^{b} Albúmina de suero bovino a concentración de 0,1 mg/ml.
^{c} Fragmento de unión a gelatina 30-kDa de fibronectina a 0,1 mg/ml.
^{d} Anticuerpo contra fibronectina a dilución 1:100
^{*}Estadísticamente diferente del grupo BSA (valor P<0,05)
Para determinar si la inhibición de la proliferación celular era responsable del bloqueo de la morfogénesis de agregados celulares, los agregados se trataron desde el tiempo 0 a 96 horas con hidroxiurea (HU) 10 M, que se ha mostrado que inhibe la síntesis de DNA en células de hidra (Bode et al., 1976, J. Cell Sci. 20:29-46). Aunque HU bloqueó completamente la síntesis de DNA, el fármaco no inhibió la morfogénesis de agregados celulares de la hidra.
Un papel crítico para el colágeno en el proceso de la formación de matriz se deduce de estudios previos farmaco- lógicos que implican agentes lantríticos (Barzanski et al., 1974, supra; Sarras et al., 1993, supra). En esta demostración, los dominios de colágeno de tipo IV fueron efectivos para perturbar la formación de mesoglea y para bloquear el desarrollo de agregados. A este respecto el monómero del dominio NC1 y el fragmento del dominio 7S fueron los más efectivos en el bloqueo del desarrollo de agregado cuando todos los fragmentos de colágeno de tipo IV se compararon sobre una base molecular igual. Otros han propuesto que el dominio NC1 y el dominio 7S son los sitios en que el protómero de colágeno de tipo IV está implicado en la formación de puentes intermoleculares durante la formación del reticulado supramolecular (Martin et al., 1988, Adv. Protein Chem. 39:1-50).
No está claro por qué el hexámero C1 más grande y el fragmento de 80-kDa eran menos efectivos que el monómero NC1 más pequeño para bloquear el desarrollo. El mismo fenómeno se vió con la fibronectina, mientras que el bloqueador más efectivo, el fragmento 7S, tiene una masa más grande que 100 kDa. Sobre una base de masa total, el dominio 7S tiene una proporción relativamente alta de residuos de hidratos de carbono asociados con la cadena de polipéptidos (15-18%), y los análisis adicionales de estos residuos de hidratos de carbono indican que tienen características estructurales únicas como la presencia de residuos de \alpha-D-gal terminales sobre grupos oligosacáridos con enlace de N (Langenveld et al., 1991, supra; Nayak et al., 1991, J.Biol. Chem. 266:13978-13987). La incapacidad del colágeno tipo IV para bloquear el desarrollo es coherente con el hecho de que no ha sido detectado en mesoglea de hidra.
El efecto de los componentes de la mesoglea sobre el comportamiento celular de la hidra puede ser considerado a dos niveles. En un nivel, la mesoglea puede considerarse como simplemente una unidad estructural que se requiere como un cimiento para la estabilidad y mantenimiento de la bicapa epitelial. A otro nivel, sin embargo, los componentes de ECM en la mesoglea proporcionan indicaciones de desarrollo que modulan los procesos celulares como división, migración y diferenciación celulares durante la morfogénesis de la hidra. Está claro que los componentes de ECM no son simplemente moléculas estructurales. Se ha mostrado que la fibronectina y el colágeno de tipo IV controlan la proliferación y diferenciación celular endotelial (Tagami et al., 1992, Cell Tissue. Res. 268:225-232; Ingber, 1990,PNAS USA 87:3579-3853). Se ha mostrado que las interacciones mecanoquímicas entre células de músculo estriado en medusas y la mesoglea injertada pueden inducir o inhibir replicación de DNA y transdiferenciación celular. En estos ejemplos, mientras la proliferación celular se inhibe en agregados bloqueados morfológicamente, es también evidente que puede ocurrir morfogénesis de agregado normal incluso en ausencia de proliferación celular. Por consiguiente, una reducción de la división celular en agregados bloqueados puede no explicar el bloqueo observado en la morfogénesis de agregados.
La homología entre el sistema modelo de la hidra y lo que se conoce acerca de los mecanismos reguladores y de desarrollo de organismos superiores hace aplicable el uso de fragmentos de colágeno de tipo IV en este sistema a las mismas interacciones de célula y tejido en otros organismos. Los métodos presentes se aplican a, entre otras cosas, la inhibición de metástasis, control de la división celular, reducción de la formación de tejido cicatrizal, intervención en la formación de tejido epitelial, inhibición de angiogénesis, reducción de complicaciones debidas a adherencia de células en trasplantes de órganos, inhibición angiogénica de tejido, o la inhibición de adhesión y movilidad de linfocitos.
Ejemplo 2 Mantenimiento de cultivo de células
Los productos de esta invención son completamente útiles para el mantenimiento de células en cultivo, donde ese mantenimiento requiere mantenimiento de fenotipo y morfología celular con mínima adherencia. Es bien reconocido que hay muchos factores críticos que contribuyen al mantenimiento y propagación satisfactorios de células en cultivo. Es decir, la división celular puede depender del anclaje, y en algunos casos mostrará inhibición dependiente de la densidad. Generalmente, la mayoría de los cultivos hechos de células disociadas de tejidos, a diferencia de las bacterias, no se adaptan a vivir en suspensión y requieren una superficie sólida sobre la que crecer y dividirse. Las células se desarrollan ahora en cultivos, así que se adhieren al plástico. Las células pueden variar en las exigencias de los medios de cultivo, y la naturaleza de los soportes, y algunas células no crecerán sin los componentes de ECM apropiados revestidos sobre las placas de plástico. Métodos reconocidos para el cultivo de células de mamíferos pueden encontrarse en las referencias generales como "Mammalian Cell Biotechnology", editada por M. Butler, Oxford University presss, 1991, y "Readings in Mammalian Cell Culture", 2ª edición, editado por R. Pollack, Cold Spring Harbor Laboratory, 1981.
Los productos de esta invención proporcionarán medios por los que la exigencia de la adherencia se elimina proporcionando las células con una cantidad efectiva de los dominios de colágeno de tipo IV que permitirá a las células mantenerse en solución mientras aún parecen estar unidas a ECM. Esto mejorará enormemente el uso de cultivos de células en biorreactores y otras aplicaciones comerciales a gran escala. El uso del dominio NC1 o 7S en aproximadamente la misma concentración efectiva por célula como se demuestra en el ejemplo anterior, mantendrá los cultivos de células ligados eficazmente sin adhesión. Además, el aislamiento y manipulación de las células no requerirá el uso de agentes farmacológicos generales que efectúan muchas funciones celulares de una manera imprecisa y no específica.
Los cultivos primarios, los aislados directamente de tejidos animales, pueden usarse para formar cultivos secundarios de células específicas. De esta manera, las células pueden ser subcultivadas durante varias semanas o meses, presentando el fenotipo y morfología de las células madres. La mayor parte de las células de los vertebrados morirán en cultivo después de un número finito de divisiones, por ejemplo, las células de piel humanas pueden durar típicamente varios meses dividiéndose de 50 a 100 veces antes de morir. Pueden surgir, sin embargo, líneas de células variantes que son inmortales al poder propagarse en cultivo celular indefinidamente. Estas células usualmente crecen mejor cuando están unidas a un soporte sólido, y típicamente cesarán de crecer una vez que han formado una capa confluente sobre la superficie, lo que demuestra inhibición por contacto. Las líneas celulares preparadas a partir de células cancerígenas difieren de las preparadas a partir de células normales en muchos aspectos. Esas células tienden a proliferar sin soporte sólido, y crecerán a densidad mucho más grande que las células normales.
Así los productos de esta invención pueden emplearse para afectar a los cultivos celulares primarios y secundarios de modo que se comporten como si estuvieran en contacto con un soporte sólido, pero sin los efectos de inhibición por contacto celular. Así las líneas de células madres pueden mantenerse in vitro bajo condiciones que estimularán el mantenimiento de fenotipo y morfología celulares.
Un área de gran interés es el aislamiento y cultivo de células germinales embrionarias o pluripotentes in vitro para eventual manipulación y uso in vivo. El aislamiento y mantenimiento de esas células relativamente indiferenciadas, y la propagación de esas células permitiría la producción de vastas cantidades de células específicas que podrían formar la base de la regeneración o sustitución de tejidos. Así las enseñanzas de esta invención pueden aplicarse al mantenimiento de aislados celulares pluripotentes, y permitir la propagación de estas células cuando inhiben cambios y diferenciación morfológicos in vitro.
Ejemplo 3 Efectos in vitro sobre la angiogénesis
La angiogénesis, el proceso de formación de nuevos vasos sanguíneos, desempeña un importante papel en procesos fisiológicos como el desarrollo embrionario y postnatal así como en la reparación de heridas. La formación de vasos sanguíneos también puede inducirse por procesos patológicos que incluyen inflamación (por ejemplo, retinopatía diabética y artritis) o neoplasia (por ejemplo, cáncer) (Folkman, 1985, Perspect. Biol. Med., 29, 10). La neovascularización se regula por factores de crecimiento angiogénicos secretados por células normales o tumorales así como por la composición de la matriz extracelular y por la actividad de enzimas endoteliales (Nicosia y Ontinetti, 1990, Lab. Invest., 63, 115).
Durante las etapas iniciales de la angiogénesis, brotes de células endoteliales aparecen a través de los vacíos en la membrana basal de los vasos sanguíneos preexistentes (Nicosia y Ontinetti, 1990, supra, Schoefl, 1963, Virchous Arch. Pathol. Anat. 337, 97-141;Ausprunk y Folkman, 1977, Microvasc Res. 14, 53-65; Paku y Paweletz, 1991, Lab. Invest. 63, 334-346). Cuando se forman nuevos vasos sanguíneos, su membrana basal sufre complejos cambios estructurales y de composición que se cree afectan a la respuesta angiogénica (Nicosia et al., 1994, Exp. Biology, 164, 197-206). Los primeros modelos de cultivo planar han mostrado que las moléculas de la membrana basal modulan la adherencia, la migración y proliferación y el comportamiento organizativo de las células endoteliales (Nicosia et al., 1994, supra). Estudios más recientes con modelos de cultivo aórtico tridimensionales que simulan más estrechamente las condiciones angiogénicas que ocurren durante la curación de heridas in vivo, sugieren que la membrana basal es un regulador dinámico de la angiogénesis cuya función varía según sus componentes moleculares (Nicosia et al., 1994, supra).
Con modificaciones, los procedimientos de Nicosia y Ontinetti (1990), supra, y Nicosia et al., supra, se utilizaron para experimentos diseñados para ensayar el efecto de colágeno de tipo IV sobre la angiogénesis bajo condiciones in vitro. El modelo se ha usado para estudiar los efectos de los factores de crecimiento y las moléculas de la matriz extracelular sobre la respuesta angiogénica y emplea anillos aórticos cultivados en geles de colágeno tridimensionales bajo condiciones libres de suero. Estos experimentos se describen más abajo.
A. Métodos
Los experimentos se realizaron con ratones macho Swiss Webster que tenían de 1 a 3 meses de edad. Después de anestesia, la aorta torácica se extirpó bajo condiciones asépticas y se transfirió a un medio de crecimiento estéril MCDB 131 (Clonctics, San Diego, CA) que contiene antibióticos. La grasa se disecó fuera de la aorta y se obtuvieron aproximadamente seis a ocho segmentos torácicos de 1 mm de cada muestra. Los segmentos se transfirieron a placas de cultivo de tejidos de 48 pocillos. Sobre los pocillos de estas placas se depositaron 100 microlitros de Mtrigel^{TM} (membrana basal EHS, Collaborative Biomedicals Products, Bedford, MA) antes de transferir los segmentos aórticos. El Matrigel^{TM} se diluyó 1:1 con el medio de crecimiento MCDB 131 antes de su uso. Los segmentos se centraron en los pocillos y se colocaron después sobre las muestras 100 microlitros adicionales de Matrigel^{TM}. Los segmentos aórticos se incrustaron por tanto en la matriz de la membrana basal. Cada pocillo recibió después 300 microlitros de medio de crecimiento MCDB 131. Las placas se colocaron en un incubador mantenido a 37ºC con CO_{2}al 5%. Las muestras se observaron diariamente durante un período de 7 días. Los microvasos de crecimiento reciente se sometieron a recuento utilizando un microscopio de fase inversa en distintos tiempos durante el período de cultivo, pero los datos se expresaron en los días de cultivo 3 y 5. Para ensayar el efecto del colágeno de tipo IV sobre la angiogéneis, dominios de conocidas concentraciones se mezclan con Matrigel^{TM} y con el medio de crecimiento MCBD 131. El medio de crecimiento MCDB 131 de nueva aportación (dominios de colágeno plus y minus) se cambió cada 3 días.
B. Resultados
Después de establecer el curso en el tiempo de la angiogénesis bajo condiciones testigos (medio de crecimiento Matrigel^{TM} más MCDB 131), los experimentos se llevaron a cabo utilizando varias concentraciones de dominios NC1 (hexámero) y 7S con colágeno tipo IV (aislado de cristalino de bovino). Los datos representan los análisis de al menos 3 muestras por condición experimental. En el primer experimento (Figura 7) el análisis indicó que a una concentración de 50 microgramos/ml, el dominio NC1 y el dominio 7S inhibían siginificativamente la angiogénesis según seguimiento los días 3 y 5 de cultivo. En el segundo experimento, se analizaron varias concentraciones de estos dominios. Como se indica en la figura 9, el dominio 7S a 50 microgramos/ml de nuevo inhibió significativamente la angiogénesis en los días 3 y 5. La inhibición se redujo a 5 y 0,5 microgramos/ml. Como se indica en la Figura 8, el dominio NC1 fue menos efectivo en el bloqueo de la angiogénesis en comparación con lo observado en el primer experimento (Figura 7). Además, en comparación con el dominio 7S, hubo menos correlación entre concentración y acción inhibitoria.
La Figura 10 contiene fotografías de segmentos de aorta torácicos de ratón incrustados en Matrigel^{TM} (matriz de membrana basal EHS, Collaborative Biomedical Products, Bedford MA) en 5 días de cultivo en la presencia o ausencia de 50 \mug/ml de dominios de colágeno de tipo IV. La muestra testigo (sin dominios) exhibió crecimiento de microvasos desde el tejido cultivado a la matriz (Figura 10A). En contraste, se observó inhibición de la angiogénesis en tejidos cultivados en presencia de 50\mug/ml de dominio 7S (Figura 10B) y dominio NC1 (hexámero) (Figura 10C).
Los resultados de estos experimentos sugieren que como se ha observado anteriormente con los agregados de células de hidra, el dominio 7S de colágeno de tipo IV es más efectivo como agente de bloqueo en comparación con el dominio NC1.
En resumen, los productos de esta invención son aplicables a la inhibición de metástasis, el control de la división celular, reducción de la formación de tejido cicatrizal, intervención en la formación de tejido epitelial, inhibición de angiogénesis, reducción de complicaciones debidas a adherencia de células en trasplante de órganos, inhibición de invasión angiogénica de tejido, o la inhibición de la adherencia y movilidad de linfocitos, el mantenimiento de aislados de células pluripotentes in vitro mientras inhiben los cambios y diferenciación morfológicos. En la práctica de la invención, el intervalo de la cantidad o dosificación de los dominios NC1 (Hexámero) de colágeno de tipo IV empleados es uno que efectivamente inhibe o interrumpe la adherencia celular a componentes de la matriz extracelular o la formación de lámina basal funcional. En general, una cantidad inhibitoria de dominio que puede emplearse oscila entre aproximadamente 5 y aproximadamente 50 \mug/ml.

Claims (18)

1. Un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV para uso como un medicamento, en que el monómero NC1 se selecciona del grupo que comprende un monómero NC1 \alpha1, un monómero NC1 \alpha2 y sus construcciones de proteína sustancialmente homólogas que contienen los elementos estructurales específicos dentro del correspondiente dominio NC1 que lleva actividad.
2. Un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según la reivindicación 1, en que el monómero es un monómero NC1 \alpha2 o sus construcciones de proteína sustancialmente homólogas que contienen los elementos estructurales específicos dentro del correspondiente dominio NC1 que lleva actividad.
3. Un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según la reivindicación 1, en que el monómero es un monómero NC1 \alpha1, o sus construcciones de proteínas sustancialmente homólogas que contienen los elementos estructurales específicos dentro del correspondiente dominio NC1 que lleva actividad.
4. Un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, ó 3 para usar como un medicamento para inhibir una o más de la formación de membrana de la lámina basal, angiogénesis, metástasis, formación de tejido cicatrizal, y la adhesión en trasplantes de órganos.
5. Uso de un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4 en la preparación de un medicamento para inhibir la formación de la membrana de la lámina basal.
6. Uso de un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4 en la preparación de un medicamento para inhibir la angiogénesis.
7. Uso de un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4 en la preparación de un medicamento para inhibir la metástasis.
8. Uso de un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4 en la preparación de un medicamento para inhibir la formación de tejido cicatrizal.
9. Uso de un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 o 4 en la preparación de un medicamento para inhibir la adhesión en trasplantes de órganos.
10. Un anticuerpo que reconoce un monómero NC1 aislado de colágeno tipo IV para uso como un medicamento, en que el monómero NC1 se selecciona del grupo que comprende un monómero NC1 \alpha1 y un monómero NC1 \alpha2.
11. Un anticuerpo según la reivindicación 10 en que el monómero NC1 es un monómero NC1 \alpha2.
12. Un anticuerpo según la reivindicación 10 en que el monómero NC1 es un monómero NC1 \alpha1.
13. Uso de un anticuerpo según una cualquiera de las reivindicaciones 10, 11 o 12 en la preparación de un medicamento para inhibir una o más de la formación de membrana de la lámina basal, angiogénesis, metástasis, formación de tejido cicatrizal, y la adhesión en trasplantes de órganos.
14. Uso de un anticuerpo según una cualquiera de las reivindicaciones 10, 11, 12 o 13 en la preparación de un medicamento para inhibir la formación de la membrana de la lámina basal.
15. Uso de un anticuerpo según una cualquiera de las reivindicaciones 10, 11, 12 o 13 en la preparación de un medicamento para inhibir la angiogénesis.
16. Uso de un anticuerpo según una cualquiera de las reivindicaciones 10, 11, 12 o 13 en la preparación de un medicamento para inhibir la metástasis.
17. Uso de un anticuerpo según una cualquiera de las reivindicaciones 10, 11, 12 o 13 en la preparación de un medicamento para inhibir la formación de tejido cicatrizal.
18. Uso de un anticuerpo según una cualquiera de las reivindicaciones 10, 11, 12 o 13 en la preparación de un medicamento para inhibir la adhesión en trasplantes de órganos.
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