【発明の詳細な説明】
微小孔性病原体殺傷組成物
発明の分野
肝炎およびAIDSの脅威は、ウイルス抗原、抗体、および代用マーカーの存在に
対する血液および血液生成物のスクリーニングによって減少しているが、血液お
よび血液生成物輸血の安全性は、未だ、問題である。本発明は、微小孔性物質に
結合した一重項酸素産生システムに致死的なほど近接したウイルスおよび他の病
原性生物を隔絶する微小孔性物質を提供する。
発明の背景
本発明の局面は、以下に議論するいくつかの異種の技術に由来する。
光力学的酸素化活性:光力学的作用の殺菌効果は一世紀の間、知られている(R
aab、19900)。最近、光化学に基づく方法論が血液(Matthewsら、1998;Sieberら
、1989;Neyndorffら、1990;O'Brienら、1990;Horowitzら、1991)および血液生成
物(Linら、1989;Prodouzら、1991;Doddら、1991;Margolis-Nunnoら、1992)中の
ウイルスを不活性化するために開発されている。適切な波長(色調)において光
増感分子と光線(hν)との組合わせは、病原体微生物を死滅させ得る強力な酸
素化活性を有する酸素分子(O2)を産生し得る(一般的な総説については、Mohrら
、1995を参照のこと)が、この殺傷方法に対する実用的な適用を発明することに
おいては、ほとんど成功していない。他の例において、紫外線A光線によって活
性化されたソラーレンが水泡性口内炎ウイルスを不活性化することが報告され(M
argolis-Nunno ら、1992)、および蛍光性の光線によって活性化されたヒペリシ
ン(hypericin)がHIV-1を不活性化することが、報告されている(Lavieら、1995
)。
光増感剤は、I型またはII型のいずれかの機構を使用し得る(SchenckおよびK
och、1960)。以下の方程式は、2つの型の機構を説明し、および以下の用語を
使用する。一原子または一分子の「スピン多重度」は、|2S|+1の表現によって定
義されるようにその分子の総スピン量子数(S)の分光学的表現である。反応体
、すなわち光増感剤およびO2のスピン多重度は、前部の上付き数値によって記載
される;およびアステリスクは、電子的に励起された分子を示すために使用され
る。
S=0の状態にある光増感剤は、一重項多重度を有する;|2(0)|+1=1(一重項、1
光増感剤分子)。励起された生成物は、電子が励起された状態になるが依然とし
て同じスピン数を有する場合、一重項を維持している。光増感剤が適切な電子構
造および対称性を有する場合、系間交差が起こり得る;すなわち、励起された一
重項光増感剤分子が、その励起された電子のスピン量子数(S)を変化すること
によって、電子的により低いエネルギー励起状態に緩和し得る。そのように緩和
するにおいて、Sは0から1へ変化し、多重度、|2(1)|+1=3、は電子励起三重項
(3光増感剤*)に変化する:
1光増感剤* ―系間交差→3光増感剤* (1)
I型またはII型のいずれの機構についても、この最初の事象は同じである。こ
の最初の事象は、基底状態の一重項多重度色素(1光増感剤)は光線の光子を吸
収し、電子的に励起一重項状態(1光増感剤*)へ転換される:
1光増感剤+光線(hν)→1光増感剤* (2)
I型の反応において、電子は、2つのラジカル(還元された二重項光増感剤ア
ニオンおよび酸化された二重項基質カチオン)を生じる、還元基質から励起三重
項光増感剤へ移行する:
3光増感剤*+1基質→2光増感剤-+2基質+ (3)
または電子は、励起三重項光増感剤分子から基質へ移行する。
3光増感剤*+1基質→2光増感剤++2基質- (4)
産生したラジカルは、消滅反応において他のラジカルと反応し得るか、または
ラジカル増殖反応においてより高い多重度分子と反応し得る。
例えば、光増感剤ラジカルは、病原体生物を死滅させ得る酸素ラジカルの産生
に、II型反応を介して利用され得る。生体分子との酸素の反応は非常に発エルゴ
ン性であるが、このような反応は自然発生的には起こらない。生体分子は、典型
的には、一重項多重度性であるが、我々が呼吸する酸素は三重項多重度の常磁性
体分子である。ウィグナーのスピン保存則に従うと、生体分子と酸素とのこの形
態の反応は、起こる可能性が低い(Allen、1994)。しかし、基底状態の三重項酸
素(3O2)は、電子励起三重項光増感剤分予を用いるII型反応において一重項酸
素に変換され得る:
3光増感剤*+3O2→1光増感剤+1O2 * (5)
この三重項-三重項消滅は、一重項反応界面を介して進行し、生成物として基
底状態の一重項光増感剤分子および一重項酸素分子(1O2 *)が生じる。O2の電子
的に励起された形態1Δgは、基底状態O2 3Σgよりも、22.5kcal/molエネルギー性
である。一重項状態において、O2は一重項多重度生体分子との許容されたスピン
反応に直接関与し得る。このように、1O2 *の求電子的な酸素化活性は、細菌また
は他の病原体の殺傷に、またはウイルス不活性化に、指向され得る。
1O2 *+微生物→微生物の殺傷または不活性化。 (6)
光増感剤介在性の血中ウイルスの不活性化は、原則的にこのようなII型一重項
酸素機構を介して起こるのに対して、I型およびII型の機構両方が、赤血球の細
胞傷害性に寄与する。(Rywkinら、1992)。
ほとんどの一重項電子励起分子は相対的に短い寿命(例えば、10-8秒)を有す
る。それらの短命な性質は、化学反応へのそれらの関与を制限する。それらの運
命は、光子放出により基底状態に戻ることである。蛍光は、それらの一重項基底
状態に緩和する一重項励起分子のエネルギー生成物である。三重項電子励起分子
は、相対的に長い寿命(例えば、10-2〜102秒)を有する。リン光は一重項基底
状態に緩和する三重項励起分子のエネルギー生成物である。系間交差による励起
一重項状態の励起三重項状態への等式2の遷移は、低い可能性の事象である。そ
れゆえ、励起三重項は準安定状態であり、化学反応に関与し得る。一重項*→一
重項遷移の蛍光とは異なり、三重項*→一重項遷移のリン光は、化学的クエンチ
ング、特にO2クエンチングに非常に感受性である。三重項励起状態の相対的に長
い寿命は、スピン遷移の低い可能性の結果である。
酸素は、その基底状態が三重項であるという点で普通ではない。一重項励起状
態から三重項基底状態への緩和はまた、逆方向ではあるが、系間交差を必要とす
る。この遷移の低い可能性は、1O2 *の相対的な準安定性を担う。水溶液中の1O2 *
の寿命は、マイクロ秒の範囲にあると報告されている(MerkelおよびKearns、197
2)。
このように、1O2 *は化学反応物質として作用し得るが、その短い寿命ゆえに、反
応性の半径は生成点の0.1〜0.2マイクロメートル以内に制限される(Lindigおよ
びRodgers、1981)。
ハロペルオキシダーゼ一酸素化活性:ハロペルオキシダーゼ(例えば、ミエロ
ペルオキシダーゼ(MPO)および好酸球ペルオキシダーゼ(EPO))は、塩化物ま
たは臭化物の次亜塩素酸または次亜臭素酸への過酸化水素酸化を触媒し得る(Al
len、1975a,b):
Cl-+H2O2―MPO→HOCl+H2O。 (7)
一重項多重度の次亜ハロゲン酸とさらなる一重項多重度の過酸化水素との反応
は、一重項反応界面を介して進行する:
HOCl+H2O2→Cl-+H2O2+1O2 *、 (8)
および、このように、酸素を含有する反応産物の全てが、一重項多重度性である
。従って、ハロペルオキシダーゼは、光増感剤によって発生させられ得る同じ反
応産物である、1O2 *を発生するための酵素的なシステムを提供する。
微生物感染および防御における炭水化物-レクチン機構 ウイルスが細胞に感
染する機構は、レクチン(これは、糖タンパク質または糖脂質上の特異的な糖に
強く結合するタンパク質のファミリーである)を一般的に利用する。インフルエ
ンザウイルスの例が、どのようにウイルス性のレクチンが感染プロセスに関与す
るかを説明する。感染細胞の細胞質画分に侵入するために、インフルエンザウイ
ルス粒子の表面上の血球凝集素タンパク質は、細胞膜上のシアル酸に結合するこ
とによって最初に付着する(Weisら、1988)。従って、インフルエンザの血球凝集
素はシアル酸に特異的に結合するレクチンである。
同様に、HIV-1およびHIV-2はまた、細胞結合および感染のために必要とされ得
るレクチン様の活性を保持する。ヒト免疫不全ウイルス(HIV-1)の2つのエン
ベロープの糖タンパク質が、レクチン類似の活性を有するようである。HIV-1の
外膜タンパク質である、gp120、および膜貫通タンパク質である、gp41はともに
、gp160前駆体の切断に由来し、そして両タンパク質は、マンノシル結合レクチ
ンおよびN-アセチルグルコサミニル(GlcNAC)結合レクチンとして挙動する(Ha
iharら、1992aおよびb)。宿主細胞膜上の糖タンパク質のα-D-マンノシル残基
お
よびα-D-グルコシル残基は、これらHIV-1タンパク質についての固定部位として
作用し得、従って細胞へのウイルスの侵入を容易にする。この機構は非CD-4細胞
の感染を説明し得、および/またはCD-4依存性感染機構において補助し得る。
他のレクチンは、細菌およびウイルスに結合し得る。マンノシル特異的血清レ
クチン、マンナン結合タンパク質(MBP)は、広範なスペクトルの細菌認識およ
び補体活性化に関連する急性期タンパク質である(Holmskovら、1994)。マンノ
ースに富むリポ多糖を含むSalmonella montevideoは、高いMBP結合レベルを示す
(Van Emmerickら、1994)。MBPはまた、HIV-1のエンベロープタンパク質に結合し
て、HIV-1による細胞のインビトロでの感染を阻害する(Lifsonら、1986;Robins
onら、1987;Ezekowitzら、1989;Hansenら、1989)。α-D-マンノシル残基および
α-D-グルコシル残基に対する親和性を有する植物のレクチンであるコンカナバ
リンA(ConA)はまた、HIV-1に付着するがCD-4に結合するウイルスのgp120エン
ベロープ糖タンパク質を妨げない(Gattegnoら、1992)。しかし、リンパ様細胞
に対するCon-A結合HIV-1の感染性は、炭水化物特異的、用量依存性の様式で減少
する(Gattegnoら、1992)。
多くの細菌は赤血球に結合して、凝集することが知られており、そしてこの凝
集が、いくつかの場合において特異的な単糖類によって阻害される。このことは
細菌のレクチンがこの結合を介在することを示している。マンノース特異的表面
レクチンは、Escherichia coli、Klebsiella pneumonia、Salmonella種、Serrat
ia marcescens、Shiglla種、Enterobacter種、およびErwinia種上に存在する(Du
guidおよびOld、1980;Speertら、1984)。N-アセチルグルコサミンに対する結合
特異性を有するE.coliレクチンもまた報告されている(Vaisanen-Rhenら、1983
)。様々な炭水化物特異性を有する、これらのおよび他のレクチンは、粘膜表面
への細菌の結合を介在するおよび感染初期に必要とされる固定化機構を提供する
繊毛(fimbriae)あるいは繊毛(pili)と呼ばれる糸状細菌の附属器に見出される
。様々なマンノース誘導体および複合型マンノースに結合するE.coliI型繊毛レ
クチン結合の相対的特異性が報告されている(Fironら、1983)。レクチンの結
合は、N-結合型糖タンパク質の短いオリゴマンノース鎖に指向された。そのよう
な構造は粘膜細胞表面に共通である(SharonおよびLis、1982)。同じレク
チン特異性のパターンが、同じ細菌属のいくつかの細菌から観察された。このこ
とはマンノースが非常に多様な細菌による感染に主要な役割を果たし得ることを
示唆している。(Fironら、1984)。
ハロペルオキシダーゼの結合および殺菌剤特性:白血球のハロペルオキシダー
ゼであるミエロペルオキシダーゼ(MPO)および好酸球ペルオキシダーゼ(EPO)は、
細菌に選択的に結合して、殺傷するカチオン性糖タンパク質である(Allen、199
2、米国特許出願第07/660,994号;Allen、1995、米国特許第5.389,369号)。MPO
およびEPOのある種のグラム陰性微生物に対する結合および殺傷特異性は、レク
チン-炭水化物結合機構を包含する。MPOおよびEPOは両方とも、マンノースおよ
びN-アセチルグルコサミンに富む(Yamadaら、1981;Miyasakiら、1986;Olsenら
、1985;Allen、レクチン結合特異性の未公開の所見)。このように、MPOおよびE
POは、Escherichia coli、Klebsiella pneumonia、Salmonella種、Serratia mar
cescens、Shigella種、Enterobacter種、およびErwinia種を含む多くのグラム陰
性微生物のマンノース特異的繊毛レクチンによって結合され得る(Duguidおよび
Old、1980;Speertら、1984)。N-アセチルグルコサミン結合特異性を有するE.co
liレクチンもまた報告されている(Vaisenen-Rhenら、1983)。これらのレクチ
ンを保持する細菌へのMPOおよびEPOの結合は、本質的に、相対的に高い親和性で
あり、および本質的にイオン強度に非依存性である。
上記で議論したように、HIV-1およびHIV-2は、α-D-マンノシルおよびN-アセ
チルグルコサミニル炭水化物構造を有するエンベロープタンパク質を介して結合
する。従って、両ウイルスは、選択的にMPOおよびEPOと結合し得る。MPOおよびE
POは、HIV-1を含むウイルスを不活性化することが知られている(Klebanoffおよ
びBelding、1974;KlebanoffおよびCoombs、1991)。さらに、ExOxEmisで調製し
たMPOおよびEPOを使用するNIH出資の契約研究により、AZT抵抗性のHIV-1の高い
レベル(leval)の不活性化が実証された。
分子および粒子ふるい分け(ゲルろ過):規則正しく一定の間隔で配置される
亜細胞規模の溝と織り交ぜられる微小孔性物質が存在する。孔溝のネットワーク
は、微小孔性物質の総量の実質的な割合を含み得る。孔性物質は、結晶構造状の
ケイ酸アルミニウムまたはリン酸アルミニウム、および架橋デキストランから
構成されるゲルを含む。
PorathおよびFlodin(1959)は、大きさに基づく高分子の迅速な分離のためのク
ロマトグラフィー法として、架橋デキストランビーズ(すなわち、Sephadex(Pha
rmaca))を使用する概念を紹介した。一般的に、ゲルろ過としてよばれているが
、その手順は、ゲルの使用を必要としないし、本当のろ過ではない。ビーズの三
次元分子ネットワークは、ある種の大きさの範囲の多くの開口した孔からなる。
孔の大きさが小さすぎて大きな分子が入り込み得ない場合は、その分子は排除さ
れ、一方、孔の大きさよりも小さな分子は、孔マトリクスに入り込み得る。従っ
て、孔マトリクスに入り込めない分子は、ゲルのこの区画から排除され、そして
水溶液と同じ速さでゲルを通って流れ去る。孔内の迷路に入った、より小さな分
子を溶出するには、非常に多量の溶液が必要とされる。孔に侵入するより小さな
分子は、孔に出入りする分子の平衡によって保持され得る。小分子の大きさおよ
び形、ならびに孔の大きさおよび形が平衡条件を決定する。このようにして物理
的結合の程度によって溶出時間の遅延を決定する。
ゲルろ過技術は、ウイルスを単離および精製するために使用されている。例え
Fine Chemicals,Uppsala,Sweden)を使用するゲルろ過によって、牛の疣の粗
製抽出物から精製されている。HjorthおよびMoreno-Lopez、J.Virol.Methods,
過を使用することによってオオムギイエロードワーフウイルスは、感染したオー
ト麦から精製されている。HewishおよびShukula、J.Virol.Methods,7:223-228
(1983)。両方の例において、純度(SDS-PAGEによって判断される)および単離さ
れたウイルスの収量は高かった。従って、このことは、溶液中のウイルス粒子を
隔絶するためのゲルろ過固体支持体の選択性および能力を示している。これらの
結果は、ウイルス粒子は、ゲルろ過技術によってより大きな粒子から容易に分離
され得ることを実証する。
様々な分子が、化学的に活性化されたふるい物質に共有結合し得る。多くの周
知の技術が、これらの目的のために利用可能である(例えば、参考として本明細
書中に援用されるAffinity Chromatography(Pharmacia Fine Chemicals)に提
供されている)。
発明の要旨
本発明は、病原体粒子の入り込みを可能にするが血球を排除する大きさの孔を
有する微小孔性物質を提供する。ここで一重項酸素産生システムはその微小孔性
物質に結合する。この目的のための代表的な微小孔性物質は、制御された孔硝子
および炭水化物重合体を含む。代表的な実施態様において、孔は、ウイルス粒子
の入り込みを可能にする約0.1μm〜約1.0μmの範囲の大きさである。あるいは、
孔は、細菌の入り込みを可能にする約3μmまでの大きさであり得る。一重項酸素
産生システムは、光活性化光増感剤または酵素的なシステムであり得る。適切な
光増感剤は、フタロシアニン(ptholocyanine)、ポルフィリン、メチレンブル
ー、ヒペリシン、フルオレセイン誘導体、およびソラーレンを包含する。一重項
酸素を産生するためのシステムに好ましい酵素システムは、オキシダーゼおよび
ハロペルオキシダーゼを含む。オキシダーゼは、好ましくは、血液中に存在する
基質を酸化し得る。この目的のための適切なオキシダーゼは、乳酸オキシダーゼ
、シュウ酸オキシダーゼ、グルコースオキシダーゼおよびコレステロールオキシ
ダーゼを包含する。ハロペルオキシダーゼは、ミエロペルオキシダーゼ、好酸球
ペルオキシダーゼ、および真菌のクロロペルオキシダーゼからなる中より選択さ
れ得る。共有結合または非共有結合によって、一重項酸素産生システムは微小孔
性物質に結合し得る。微小孔性物質は、ビーズ、ウェーハー、ゲルろ過マトリク
ス、フィルター、バッグ、または管のようなデバイスを構成するか、または形成
し得る。
特に好ましい実施態様において、病原体粒子に結合するリガンドは、微小孔性
物質にも結合する。リガンドは、高マンノースグリカン、N-グルコサミン、オリ
ゴ糖類のN-アセチルグルコサミニル核、複合型N-結合グリカンのマンノシル核、
マンナン、α-メチルマンノシド、ハロペルオキシダーゼ、硫酸化多糖類、低分
子量デキストラン硫酸、およびレクチンから選択され得る。この目的のための好
ましいリガンドは、ハロペルオキシダーゼのミエロペルオキシダーゼおよびレク
チンのコンカナバリンAを含む。代表的な実施態様において、微小孔性物質は、
乳酸オキシダーゼおよびミエロペルオキシダーゼがそれぞれ結合されるコンカナ
バリンAを保有する炭水化物重合体の形態をとる。
図面の簡単な説明
図1は、血液と接触する微小孔性物質を示し、そして1μmの孔直径が、どの
ように効率よく赤血球(RBC)を排除するが、ウイルス粒子が孔に入り込むこと
を可能にしているのかを図示する。
図2は、ミエロペルオキシダーゼ(MPO)およびオキシダーゼが、共有結合し
ている微小孔性物質(ふるい物質)の孔溝(内腔)を図示する。MPO上のリガン
ドによって捕獲されたか、または孔内腔内に単に存在するウイルス粒子の間近に
近接して一重項酸素を産生するオキシダーゼおよびMPO触媒反応を模式的に例示
する。
図3は、一重項酸素のウイルス殺傷活性が、その短い寿命によって制限される
範囲内の有効な半径(重複する赤い円)を例示する。報告によると、水溶液中の
一重項酸素の寿命は、マイクロ秒の範囲にあり、それゆえその反応性の半径は、
その産生の0.1μm〜0.2μm内に制限される。
図4は、MPOが非共有結合されているコンカナバリンAを保有するふるい物質
を例示する。オキシダーゼは、ふるい物質に結合している。ウイルスは、コンカ
ナバリンA、MPOまたはその両方とのリガンド-レセプター相互作用により孔内に
選択的に保持される。固定化酵素により産生された一重項酸素は、ウイルスを殺
傷するか、または不活性化する。
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明は、ウイルスおよび細菌のような病原体粒子の生物学的液体(例えば、
血液)を精製するための微小孔性物質を提供する。微小孔性物質は、病原体粒子
の入り込みを可能にするが、生物学的液体中の所望の細胞(例えば、血液の細胞
性要素)を排除する大きさである孔を有する。本発明によると、一重項酸素産生
システムは、微小孔性物質に結合している。微小孔性物質は、血液および他の生
物学的液体から病原体(例えば、ウイルス、細菌、プリオン、または他の同様な
大きさの病原体粒子)が除去され、および不活性化されるふるいマトリクスを形
成する。例示的な実施態様において、一重項酸素産生システムの酵素成分は、ふ
るいゲルの溝に結合している。病原体結合リガンド分子はまた、マトリクス溝に
結合し得る。
ふるいゲルの性質、および特にその孔の大きさは、物質により保持される分子
または粒子の大きさを規定する。一般的に、ゲル粒子は、天然重合体および合成
重合体を包含する重合性物質である。重合体は、直鎖状のまたは分岐状である長
い鎖を形成するように、互いに共有結合的に連結され、およびしばしばサブユニ
ット間の鎖間結合もまた有するより小さなサブユニットからなる高分子量化合物
である。ゲルろ過において使用されるおよび重合性物質は、天然の多糖(例えば
、アガロース、デキストラン、およびセルロース)および合成重合体(例えば、
ポリアクリルアミド、ポリトリスアクリルアミド、およびヒドロキシル化ビニル
重合体)を包含する。これらの重合体は、様々な孔の大きさを有する粒子(また
はビーズ)に形成され得る。マトリクスの孔の大きさは、ゲル粒子の重合鎖間の
架橋の程度によって制御され得る。一般的に、高度に架橋されている重合体は、
軽く架橋された重合体より小さな孔の大きさを有する。
本発明について、孔ふるいマトリクスは、架橋された炭水化物(例えば、ポリ
デキストラン、制御された孔ガラス、または他の適切な物質)からなり得る。架
橋されたアガロースおよびビスアクリルアミドで架橋されたアリルデキストラン
psala、Sweden)を包含する、多くのこれらの物質は市販されている。これらの
ゲルにおいて、重合体物質は、ビスアクリルアミドを用いて様々な程度に架橋さ
れた多糖である。
様々なデバイスは、ふるい物質(例えば、ビーズ、管、平板な孔性表面、裏打
ちプラスチック血液バッグ、フィルター、中空セルロースチューブフィルター、
およびゲルろ過マトリクス)から容易に構成され得る。ふるい物質は、溝である
孔、または外部の液体と連絡し、そして液体または気体の物質の通過を可能にす
る固形物質内に空隙領域もしくは間隙領域を含む。孔溝の直径は、病原性ウイル
ス、細菌、または他の同様な大きさの病原体の入り込みが十分に可能な大きであ
り得る。図1に示すように、孔直径は、所望の細胞を、特に血液の細胞成分を十
分に排除する小ささである。
表1に記載するように、血液を汚染するウイルス粒子は、直径20nm(パルボウ
イルス)〜150nm(0.02μm〜0.15μm)の範囲である。血液の最少の細胞要素で
ある血小板は、約3000nm(3μm)の浮動性の直径を有する。赤血球は、7.2〜7.
9μmの直径を有し、大きさにおいて次に小さな分子である。このように、約155n
m(約0.15μm)〜約2,500nm(または3μm未満)の範囲にある孔の大きさを有す
る任意の物質は、血液の血小板および他の細胞要素を排除しながら、ウイルス粒
子を物理的に収容する。
約2.5μmの孔の大きさは、血小板の直径よりも小さい直径を有する非ウイルス
性の病原体を隔絶するために特に有用である。細菌は、典型的には、直径2μm
未満であり、ほとんどのまたは全ての細菌は、約2〜3μmの直径を有する孔溝
に入り込み得る。従って、血小板の直径3μmよりもちょうど僅かに小さい孔の大
きさは、血液供給物を汚染することが予想されるほとんどの病原体を収容する。
本発明の第一の実施態様において、光増感剤(例えば、フルオレセイン誘導体
、もしくはフタロシアニン誘導体または他の適切な分子)は、共有結合または非
共有結合で、ふるい物質の孔に存在する溝の表面に結合する。時に、「光力学的
色素」としても知られる「光増感剤」は、励起状態のエネルギーを別の化合物ま
たは分子に移行し得る化合物または分子である。光増感剤は、光線の光子を吸収
した後、電子励起された状態になり、続いて励起状態のエネルギーを別の化合物
または分子に移行させる。その励起されたエネルギーを酸素分子(すなわち、基
底状態の酸素、3O2)に移行させ、それによって励起酸素分子(すなわち、励起
状態の酸素、1O2 *)を産生する光増感剤は、一重項酸素光増感剤である。
光増感剤は、適切な波長の光線で照射されたときに、三重項励起状態に変換さ
れる特性によって特徴づけられる。次いで、励起三重項光増感剤分子は、血液中
の基底状態の三重項酸素とのII型反応に関与し、病原性微生物を殺傷し得る、高
い反応性の一重項酸素、1O2 *、を産生する。
本発明によって意図される光増感剤は、可視光(約350nm〜約700nm)および近
赤外線(約700nm〜約1000nm)を吸収する光増感剤である。光増感剤を活性化す
るために必要とされる光線は赤血球によって吸収されないので、血液を精製する
ために好ましい光増感剤は、赤領域(約600nm〜約700nm)および近赤外線領域の
可視光を吸収する化合物を包含する。本発明に適切な光増感剤の例示的なファミ
リーは、アクリジン、フルオレセイン、キサンチン、ローダミン、ポルフィリン
、シアニン、およびフタロシアニンを包含する。本発明の組成物に有用な特異的
な光増感剤は、メチレンブルー、ヒペリシン、ヘマトポルフィン、フルオレセイ
ン、およびフルオレセインの誘導体(例えば、ローズベンガル(rose bengal)
、エオシン、およびエリスロシン)を包含する。
関連する実施態様において、病原体粒子の捕獲または保持を補助するために、
孔溝の表面に、ウイルスまたは細菌結合組成物はまた、共有結合的または非共有
結合的に結合している。ウイルスの促進された捕獲は、孔溝の表面にリガンド(
例えば、コンカナバリンAまたは他のレクチン)として作用し得る物質を連結す
ることによって、達成され得る。さらなる病原体の捕獲は、物質(例えば、シア
ル酸、マンノース、N-アセチルグルコサミン、ハロペルオキシダーゼ(例えば、
ミエロペルオキシダーゼもしくは好酸球ペルオキシダーゼ)、またはウイルスお
よび細菌の表面に存在する分子に結合する能力を有することが知られている他の
任意の物質)で孔溝をコーティングすることによって達成され得る。この実施態
様の重要な利点は、病原体のリガンド介在性結合が、それ自体およびそれ自体の
みで血液中から病原体粒子を除去する目的を部分的に作用することにある。
微小孔性ふるい物質に付着している光増感剤を使用する主要な利点は、このア
プローチが重要な血液成分に結合する光増感剤の問題を未然に防ぐこと、循環系
に光増感剤を導入することに付随する毒性を排除すること、およびまた細胞成分
への損傷を最少にすることにある。このアプローチの相対的な不利益は、光力学
的作用を駆動するために光線が必要とされることである。しかし、O2の電子励起3
Σg→1Δgは約23kcal/molを必要とする相対的に低いエネルギー遷移である。血
液の精製のために、ヘモグロビンによって吸収されない赤光線および近赤外線で
さえも十分な変換分子を用いてこのプロセスを駆動し得る。
本発明の二番目の好ましい実施態様において、ふるい物質は、化学的にHOClお
よび1O2を産生し得る酵素システムと共有結合または非共有結合される。1つの
こ
のようなシステムは、一重項酸素を産生する基質としてハロゲン化物およびH2O2
を必要とする前述のハロペルオキシダーゼからなる。ハロペルオキシダーゼは塩
素または臭素の次亜塩素酸または次亜臭素酸への水素ペルオキシダーゼ酸化を触
媒する。血液中に通常に存在する塩素の量は、ミエロペルオキシダーゼによって
触媒される反応に十分なハロゲン化物を提供する(Allen、米国特許第5,389,369
号)。従って、次亜ハロゲン酸(hypohalous acid)は、さらなる過酸化水素分
子との反応を生じて、一重項酸素を産生する。反応性の一重項酸素分子のすぐ周
辺に存在するウイルスまたは細菌は、不活性化または殺傷される。大きすぎて孔
へ入り込めない血液成分は、H2O2または一重項酸素のいずれにも、有意に曝露さ
れ得ない。本発明に適切なハロペルオキシダーゼは、ミエロペルオキシダーゼ、
好酸球ペルオキシダーゼ、および真菌のクロロペルオキシダーゼを包含する。
血液中に通常に存在する基質に作用し得るオキシダーゼは、簡便に持ちいられ
て、ハロペルオキシダーゼによって必要とされる過酸化水素基質を提供し得る。
このようなオキシダーゼは、乳酸オキシダーゼ、シュウ酸オキシダーゼ、コレス
テロールオキシダーゼ、グルコースオキシダーゼ、または血液中の基質を使用す
る能力を持つ他のオキシダーゼを包含する。例えば、不十分な量の乳酸またはグ
ルコースが存在する場合、これらの基質が、選択されたオキシダーゼによる十分
な過酸化水素産生を確実にするために血液または血液回収バッグに添加され得る
。乳酸オキシダーゼは以下の反応でH2O2を産出する:
乳酸+O2→ピルビン酸+H2O2 (9)
等式(9)において、過酸化物は乳酸からL-乳酸:O2オキシドレダクターゼ E
C 1.1.3.x(Naka、1993)によって産生される。乳酸は典型的に血液中に比較的
高濃度で存在する優れた基質である。正常で健康な成人の静脈血は、1mm(9mg
/dL)の乳酸濃度を有する。乳酸は、解糖系代謝の最終産物であり、赤血球のグ
ルコース代謝の主要産物である。代謝されたグルコースのいずれの分子も2分子
の乳酸を生じる。乳酸は、血液バンクの保存の間、赤血球によって産生され続け
る。従って、乳酸オキシダーゼによって産生される過酸化物は、ふるい結合ハロ
ペルオキシダーゼに対する基質を提供する。
他のオキシダーゼ(例えば、シュウ酸オキシダーゼ(シュウ酸:O2 オキシド
レダクターゼ、EC1.2.3.4)、コレステロールオキシダーゼ(コレステロール:O2
オキシドレダクターゼ、EC1.1.3.6.)、グルコースオキシダーゼなど)に適切な
基質はまた血液中に存在し、同様な様式で用いられ得る。これらの、および他の
オキシダーゼは周知であり、そしてこれらのいくつかは、米国特許第5,389,369
号おいていくらか詳細ににおいて記載されている。
図2は、乳酸オキシダーゼおよびミエロペルオキシダーゼを結合した表面を有
するウイルス包括孔の断面図を模式的に示す。この孔は直径約0.2μm〜0.3μmで
あり、HIVの2つのウイルス粒子の大きさ(すなわち、直径約0.1μm)を含む。
より大きな孔は細菌および細胞性の病原体でさえ包括するために使用され得る。
病原体粒子を捕獲する利点は別として、孔の分離した環境はまた、効果的な酵素
相互作用に必要とされる基質および生成物を濃縮および連結するために作用する
。図2はさらに、乳酸のピルビン酸への酸化が捕獲したウイルス粒子の間近に近
接した1O2 *の産生をどのようにうに駆動するのかを例示する。図3は、1O2 *の活
性が、その短い寿命ゆえに制限される範囲(重複する円)を示す。
本発明の酵素システムにとって、コンカナバリンAは微小孔性基層にハロペル
オキシダーゼを非共有結合するために使用し得る。コンカナバリンA分子は、ナ
タマメに由来するタンパク質レクチンである。コンカナバリンA分子は、炭水化
物に非共有結合し得る4つの部位を有し、従って様々な動物細胞を凝集する能力
を有する。図4に図示されるように、四価分子コンカナバリンAは、微小孔性マ
トリクスの孔内の近接に構成成分のいくつかの成分を導くための「プラットホー
ム」として作用し得る。この多成分近接を達成するために、コンカナバリンAの
反応部位の一つは最初に微小孔性基質自身に共有結合され、次いでそのレクチン
の反応部位は、ハロペルオキシダーゼおよびマンノシル化オキシダーゼと結合す
ることを許容される。経験的に調節された化学量論的な条件下で、レクチン分子
はウイルスまたは細菌上に存在するレセプターとの結合に利用可能な反応部位を
依然として有する。このストラテジーは、図4に示される。これは、MPOが非共
有結合する、共有結合されたコンカナバリンAを示す。この例において、オキシ
ダーゼはふるい分子に直接結合されるが、他の適用においてはオキシダーゼはマ
ンノシル化され得、そしてコンカナバリンAに非共有結合され得る。
孔環境内にH2O2の産生を制限することは、複数の利点を有する。これは、病原
体粒子と孔結合ミエロペルオキシダーゼとの間の接触を最大限にし、H2O2の希釈
を制限し、そしてH2O2が赤血球と接触しないことを確実にする(従って、赤血球
カタラーゼによるH2O2の転換を回避する)。血液細胞性の成分はまた、H2O2の破
壊的な影響を孔環境に制限することによって保護される。最も重要なことは、こ
れがMPOの部位でオキシダーゼによる過酸化物産生を限定する。孔空間への制限
はまた、HOCl(H2O2依存性MPO触媒塩化物酸化の生成物)が、さらなるH2O2と反
応して1O2 *を産生し得ることを確実にする。孔空間内での1O2 *の酵素的な産生は
、外因性のエネルギー供給源を必要とすることなく、高いレベルの焦点を合わせ
た抗病原体活性を確実にする。光増感剤に基づくシステムと異なり、1O2 *の酵素
的な産生は外部の光源を必要としないという利点を有する。空間的な制限は、最
大限のウイルス致死性または殺菌作用のために必要とされる反応半径0.2μm未満
内に病原体を局在することによって限られた寿命の1O2 *の反応可能性を最適化す
る。
本発明は、それによって、血液または他の液体から病原体粒子、特に、ウイル
ス、細菌、およびプリオンを除去するために有用な組成物を提供する。例えば、
本発明の微小孔性組成物は、培養真核細胞または原核細胞によって産生される薬
学的調整物からウイルスを除去するために使用され得る。さらに、組成物は、純
度が要求される実質的に任意の液体から病原体を除去するために適用され得る。
本発明の組成物は、精製される液体と相互作用する表面上に孔が開口するよう
に構成された微小孔性物質の全てまたは部分において構成される。代表的な微小
孔性物質は、制御された孔ガラスおよび重合体(例えば、架橋炭水化物)を包含
する。これらの孔は病原体粒子(例えば、ウイルスおよび細菌)の入り込みを可
能にする適切な大きさである。所望の直径の孔を作製するための方法は、当該分
野において公知である。架橋された重合体における孔の大きさは、例えば、架橋
剤の量を操作することによって制御され得るが、ガラスビーズ中の孔は制御され
たエッチングによって確立され得る。ウイルス粒子の入り込みを可能にする約0.
1μm〜約1.0μmの大きさの範囲にある孔、および細菌の入り込みを可能にする約
2.5μmまでの大きさの孔は、特に有用である。直径約2.5μm未満の孔は、液体(
例えば、血液)の細胞成分を孔性物質の隙間から排除する利点を提供する。
本発明の組成物はまた、一つまたはそれ以上のリガンド-レセプター対を用い
得る。一般的に、リガンドは、細胞またはウイルス表面上のレセプタ分子または
部位に結合する分子または分子の群である。このような一つの対は、その対の一
方のメンバーが微小孔性物質に結合し、および他のメンバーが微生物(例えば、
ウイルスまたは細菌)の表面に存在する場合、微生物は少なくとも一時的に、対
の二つのメンバー間の非共有結合の力によって微小孔性物質に付着するようにな
り得るような、互いに十分な親和性を有する二つの分子からなる。本発明の組成
物について、微小孔性表面に結合するリガンド-レセプター対のメンバーは、「
リガンド」として言及され、そしてウイルスまたは細菌の表面上のリガンド結合
分子は、「レセプター」である。コンカナバリンAは、ウイルス(例えば、HIV-
1)上のマンナンオリゴ糖レセプター(単数または複数)に結合し得るリガンド
の例である。
炭水化物部分、糖タンパク質、レクチンなどを包含する様々な物質が、リガン
ド-レセプター対の組成物を形成し得る。適切なリガンドは、高マンノースグリ
カン、複合型N-結合グリカンのマンノシル化された表面(surface)、マンノシル
核、N-アセチルグルコサミンおよびその誘導体、マンナン、硫酸化多糖類(例え
ば、ヘパリンまたは低分子量(MW)硫酸デキストラン(DS)、レクチン(例えば
、コンカナバリンAおよびα-D-マンノシル、α-D-グリコシル残基、およびN-ア
セチルグルコサミンに対するコンカナバリンAの親和性を共有する他のレクチン
)を包含する。コンカナバリンAは、HIV-1に接着し(Gattegnoら、1992)およ
びEPO、MPO、ならびにマンノシル化オキシダーゼにも結合し得る。
本発明の組成物は、リガンドが微小孔性物質に、特にこの物質の全体に広がっ
ている孔に結合することを必要とする。これらの種の分子を重合体表面に共有結
合的に連結するために、方法は広く利用可能である。
本発明微小孔性物質は様々なデバイスに構成され得る。このようなデバイスは
、ビーズ、ゲルろ過マトリクス、フィルター、バッグ、管、および中空セルロー
ス彩管を構成するフィルターを包含する。例えば、血液から微生物を除去するた
めに、血液は、エクスビボで微小孔性物質を含有するフィルターまたはカラムを
通過させられる。血液は保存バッグ内に入れられる前にろ過され得るか、もしく
は
バッグから取り出されるに際してろ過され得るか、または両方の場合であり得る
。血液がバッグ内で保存される間、微粒子のウイルスおよび/または細菌を不活
性化するために、血液が保存されるバッグの内表面は、微小孔性物質の薄い層で
コーティングされ得るか、または微小孔性物質から構成される物質もしくはビー
ズまたはウエーハで裏打ちされた管が、バッグ内側に単に置かれ得る。これらお
よび他のデバイスは、孔内および孔外で病原体間で平衡が確立され得るように微
小孔性物質が精製される液体と接触するという基準を満たす。
実施例1.制御された孔を有する微小孔性物質。
必要とされる大きさの孔を有する任意の組成物は、微小孔性物質(すなわち、
ふるい物質)として用いられ得る。いくつかの異なった型のふるい物質は市販さ
れている。Sephacryl S-1000(Pharmacia、Sigma S-1000)は、40〜105μmのビ
ーズ直径および1x109ダルトンの孔径排除限界を有する、アリルデキストランお
よびN,N'-メチレンビスアクリルアミドの架橋された共重合体である。Sepharose
CL 2B(Pharmacia、Sigma CL-2B-300)はまた、60〜200μmのビーズ直径およ
び0.2x109ダルトンの孔径排除の架橋アガロースであり、小ウイルスに対して使
用され得る。制御された孔ガラスは、処理しているホウケイ酸ガラスを加熱する
こと、および酸でホウ酸をこし出すことによって調製される。制御された孔を有
するGlyceryl Glass(Sigma GG3000-200)は、0.3μm(300nm)の孔径を有する1
20〜200メッシュ(直径75〜125μm)で利用可能である。
多くの技術は、化学的に活性化しているふるい物質および活性化された物質に
共有結合しているタンパク質について利用可能である(JakobyおよびWilchek、1
974)。以下は、Sephacryl、Sepharose、およびグリセリルガラスのCNBr活性化
の例であり、および活性化されたふるい物質へのMPO、EPO、乳酸オキシダーゼ、
およびコンカナバリンAの結合の例である。2.ふるい物質の調製
以下の準備工程が別々に適用された:20%エタノール中の20mlストック懸濁液
のSepharose 2B(Sigma CL-2B-300);20%エタノール中の20mlストック懸濁液
のSephacryl S-1000(Sigma S-1000);固形の10ml(10cc)のGlyceryl-Glass
、Cotrolled Pore(Sigma GG3000-200)。
最初の工程で、ふるい物質を蒸留水を用いて50mlまで浸出し、ロッカー(rock
er)上で30〜60分間置いた。次に、その物質を沈下させ、水溶性の上清をデカン
トした。その物質を、二度目の50mlの蒸留水で、前回のように洗浄した。二度目
の洗浄水をデカントした後、2Mのリン酸緩衝液(PB)、pH 11.4、(536g Na2HP
O4-7H2O/L H2OおよびNaOHでpH 11.4に調整した)を、50mlの最終容量になるまで
添加した。脱気するために1時間真空下に置き、ついで冷却するために氷浴中に
置いた。3.ふるい物質をブロモシアン(CNBr)(Sigma C-6388)を用いて活性化するこ と。
高度に緩衝化されたアルカリ性のブロモシアン(CNBr)法(Porath、1974;Par
ikhら、1974)を、ビーズ活性化およびタンパク質カップリングのために使用し
た。2gのCNBrの結晶を冷却した20mlの蒸留水に添加し、そして混和して溶解し
た。(結晶は、30分後、50%のみが溶解された。)各氷冷ビーズ懸濁液に、10分
間にわたって0.5mlで添加して、計4mlのCNBr(約50mg/mlで計200mg)を加えた
。4℃にて4容量のH2Oを用いて、0.2μmフィルターによって、ビーズを洗浄し
た。4.ビーズ上で環状イミノ炭酸塩へのタンパク質の共有結合的連結。
MPO-乳酸オキシダーゼ(MPO-LOx)、EPO-LOx、およびコンカナバリンAをビー
ズカップリングのために以下のように調製した:
(A.)MPO-LOx (および乳酸オキシダーゼ):5mlのミエロペルオキダーゼ(
10mg、porcine、ExOxEmis、Lot 1899201、計70nmol)を、3.2mgの乳酸オキシダ
ーゼ、Pediococcus種(3.2mg、108ユニット、Sigma L-06380)と合わせた。
(B.)EPO-LOx (および乳酸オキシダーゼ):5mlの好酸球ペルオキダーゼ(
10mg、porcine、ExOxEmis、Lot 1929201、計150nmol)を、3.2mgの乳酸オキシダ
ーゼ(Pediococcus種、3.2mg、108ユニット、Sigma L-06380)と合わせた。
(C.)Con-A:10mgのコンカナバリンA、IV型、Canavalin ensiformis(Sigma
C-2010)を5mlの蒸留水中に溶解した。
同様に、血液中に存在する基質を使用し得るオキシダーゼを、付随して調製し
得、活性化したビーズに結合することを可能にした。
上記で活性化したビーズを0.25M重炭酸塩緩衝液(BB)、pH9.0(pHをNaOHで調
整した21g NaHCO3/L H2O)中で30mlの最終容量になるまで再懸濁した。上記のSe
pharose 2B、Sephacryl S-1000、およびGlyceryl Glassの3つのそれぞれを含む
、各30mlビーズ懸濁液を、等量に、3つのチューブに、計9本のチューブに分割
した。各ビーズ調製物のチューブに:1.75mlのMPO-LOx、1.75mlのEPO-LOx、およ
び1.75mlのConAを添加した。次いで、チューブを穏やかに混和するためにロッカ
ーテーブル(rocker table)上に置き、そして22℃で一晩(12時間)反応させた
。
カップリングの完了に際して、1Mグリシン溶液(75gグリシン/l)を調製し
、そして50mlの最終容量になるまで各ビーズ懸濁液に添加した。グリシンを、ビ
ーズ上に残存するあらゆる未反応のイミノ炭酸塩と反応させるために提供した。
ハロペルオキシダーゼが、首尾良くビーズに結合したことは誘導体化されたビ
ーズの呈色から明らかであった。ビーズ調製物は、一旦沈下されると、MPO特有
の薄い緑色、およびEPOのオレンジがかった褐色を示した。ビーズが沈下した後
、上清中に残存するタンパク質を定量するために、UV-可視光分光法を行った。
各型のビーズに結合されたMPOの量は、78mM-1cm-1のミリモル吸光率を使用する4
75nmでの被還元(亜ジチオン酸塩)−被酸化差スペクトルを測定することによっ
て定量した。
結果により23.3nmolのMPOが各型のビーズに結合したことが示された。
ビーズに結合したEPOの量は、125mM-1cm-1の吸光率を使用する449nmでの被還
元(亜ジチオン酸塩)−被酸化差スペクトルとして定量した。
結果により50nmolのEPOが各型のビーズに結合したことが示された。
pH7.4のDulbeccoのPhosphate BufferでMPOまたはEPOのいずれかが結合したビ
ーズを、さらに一回洗浄し、そしてDulbeccoのPhosphate Buffer中で最終容量10
mlに調製した。
各型の活性化されたビーズに結合し得るMPOおよびEPOの最大量を測定するため
の実験は行わなかった。しかし、本実施例に示されない結果は、ビーズの結合能
力は、今回の実験において結合した量よりも非常に大きいことを示唆する。結合
量は、さらなる濃度の増加が、ビーズに結合するタンパク質の量の増加を生じな
い場合の量が測定されるまで、結合工程の間、より高い濃度のMPOおよびEPOを斬
増的に添加することによって最大化され得る。5.孔のバクテリオファージモデル:乳酸-オキシダーゼ-ハロペルオキシダーゼ ウイルス不活性化。
真核細胞のように、細菌はウイルス感染および溶菌に感受性である。この種の
ウイルスはバクテリオファージまたはファージと呼ばれる。バクテリオファージ
は、大きさにおいて動物のウイルスに匹敵し、そしてそれらの存在は、感受性の
細菌の「芝生(lawn)」上に生じるプラーク(すなわち、溶菌または透明化(cl
earing)の領域)を形成するそれらの能力によって測定され得る。バクテリオフ
ァージの数は、サンプル容量当たりのプラーク形成単位の数として測定され得る
。
バクテリオファージは、外膜で覆われておらず、血液感染性に関して目的のHI
Vおよび肝炎ウイルスよりも異なった表面を示す。しかし、バクテリオファージ
の大きさおよび検出の容易さにより、本発明の孔:オキシダーゼ-ハロペルオキ
シダーゼ調製物の大きさ特異的な不活性化の質を試験することが可能になる。
バクテリオファージ懸濁液を、上記の調製されたMPOおよびEPO結合のビーズに
接触させる。バクテリオファージは、ビーズの孔の中に入り込み、孔溝に存在す
るコンカナバリンAおよび/またはEPOもしくはMPOと非共有結合的に相互作用す
る。ビーズが沈下された後、上清を回収し、そして上清中のバクテリオファージ
の力価を、標準的な細菌学的な技術を使用して決定する。コントロールとして、
バクテリオファージ懸濁液を、結合工程の間、MPOおよびEPOを添加しなかったこ
と以外は、上記の準備工程の全てに供されたビーズと接触させる。ビーズに結合
したMPOおよびEPO酵素的なシステムによるファージ殺傷の効率を、得られるコン
トロールの力価と試験の力価とを比較することによって決定する。6.孔の細菌モデル:乳酸-オキシダーゼ-ハロペルオキシダーゼ不活性化。
未処理およびMPO-LOx結合ふるい物質(孔ビーズ)の機能的な能力を、約0.5μ
mの細胞幅を有する短い(short)グラム陰性桿菌であるEscherichia coliを使用
して試験した。E.coliは、37℃にて約16時間トリプチケースダイズブロス培地中
で培養した。細菌を、遠心分離によって濃縮し、そして最終濃度を比濁分析測定
(滴定)によってミリリットルあたり106〜107個の細菌に調整した。
上記の異なったふるい調製物の結合-殺傷能力を以下のように試験した。以下
のものを各試験管に置いた:
(1)100μl(マイクロリットル)のふるい物質(ビーズ)懸
濁液;
(2)100μlのE.coli懸濁液(約、計106個の細菌);
(3)100μlの0.1M乳酸(最終的には、10mm乳酸);および
(4)700μlの通常生理食塩水(0.85% NaCl)
諸材料を穏やかに混和し、一時間、24℃にてインキュベートさせた。材料を混
和して均一な懸濁液を得、希釈し、そしてトリプチケースダイズブロス上にプレ
ートした。E.coliコロニー形成ユニット(CFU)の数は、37℃にて20時間のイン
キュベーション後に測定した。
結果は以下の様であった:
ふるい物質 E.coli(最終のCFU/μl)
無し 4,520,000
Sepharose CL 2B
-未処理 3,000,000
-MPO-LOx結合 830,000
Sephacryl S1000
-未処理 2,920,000
-MPO-LOx結合 200,000
Glyceryl-Glass
-未処理 3,160,000
-MPO-LOx結合 91,000
未処理のふるい物質を用いて観察されたE.coli CFUの極僅かな減少は、殺傷を
伴わない細菌の結合および捕獲を反映していると考えられる。特に、異なったMP
O-LOx結合ふるい物質によるE.coliの除去および/または殺傷は、孔の大きさに比
例した。3つの異なったMPO-LOx結合ふるい物質を試験した。これらの中で、gly
ceryl-glassの孔の大きさは、Sephacryl S1000の孔の大きさよりも大きく、一方
この群の最も小さい孔はSepharose CL-2Bの孔であった。従って、MPO-LOx結合Se
pharose CL-2Bは、試験した3つのふるい物質のなかで最も効果的ではなかった
。この後者の物質はまた、最も少ない量のMPO-LOxを結合した。
本発明の好ましい実施態様を例示し、そして記載したが、本発明の精神および
範囲から逸脱することなく様々な改変がなされ得ることが理解され得る。特に、
本明細書中に記載された組成物および方法は、任意の形態の液体から病原性微生
物を除去するために適用され得る。 前述の出版物は本明細書中に参考として援用されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Microporous pathogen killing composition
Field of the invention
Hepatitis and AIDS threats stem from the presence of viral antigens, antibodies, and surrogate markers
Blood and blood product screening,
The safety of transfusions and blood products is still an issue. The present invention relates to microporous materials.
Viruses and other diseases lethal to the associated singlet oxygen production system
Provide microporous material that isolates protozoa.
Background of the Invention
Aspects of the present invention derive from several heterogeneous technologies discussed below.
Photodynamic oxygenation activity: The bactericidal effect of photodynamic action has been known for a century (R
aab, 19900). Recently, photochemical-based methodologies have been introduced in blood (Matthews et al., 1998; Sieber et al.).
1989; Neyndorff et al., 1990; O'Brien et al., 1990; Horowitz et al., 1991) and hematopoiesis.
(Lin et al., 1989; Prodouz et al., 1991; Dodd et al., 1991; Margolis-Nunno et al., 1992)
Developed to inactivate viruses. Light at the appropriate wavelength (hue)
The combination of sensitizing molecules and light (hν) is a powerful acid that can kill pathogenic microorganisms.
Oxygen molecules (OTwo(For a general review, see Mohr et al.
, 1995) invented a practical application for this killing method.
Has been almost unsuccessful. In another example, the light is activated by ultraviolet A rays.
It has been reported that sensitized psoralen inactivates vesicular stomatitis virus (M
argolis-Nunno et al., 1992) and hypericis activated by fluorescent light.
It has been reported that hypericin inactivates HIV-1 (Lavie et al., 1995).
).
Photosensitizers may use either type I or type II mechanisms (Schenck and K
och, 1960). The following equations explain two types of mechanisms, and use the following terms:
use. The "spin multiplicity" of an atom or molecule is defined by the expression | 2S | +1.
It is a spectroscopic representation of the total spin quantum number (S) of the molecule as defined. Reactant
I.e., the photosensitizer and OTwoThe spin multiplicity of is described by the superscript number at the front
And an asterisk is used to indicate an electronically excited molecule
You.
A photosensitizer in the S = 0 state has singlet multiplicity; | 2 (0) | + 1 = 1 (singlet,1
Photosensitizer molecule). The excited product is in an excited state of electrons but still
If they have the same spin number, they maintain the singlet. If a photosensitizer is
If they have the same structure and symmetry, intersystem crossing can occur;
Changing the spin quantum number (S) of the excited electrons by a singlet photosensitizer molecule
Can relax to an electronically lower energy excited state. So relaxed
Where S changes from 0 to 1 and the multiplicity, | 2 (1) | + 1 = 3, is the electronically excited triplet
(ThreePhotosensitizer*Changes to:
1Photosensitizer* ―Intersystem crossing →ThreePhotosensitizer* (1)
This first event is the same for either type I or type II mechanisms. This
The first event of is the ground state singlet multiplicity dye (1Photosensitizer) absorbs light photons
And electronically excited singlet state (1Photosensitizer*Is converted to:
1Photosensitizer + ray (hν) →1Photosensitizer* (2)
In a type I reaction, the electron is divided into two radicals (the reduced doublet photosensitizer
Excited triple from reduced substrate, yielding nonions and oxidized doublet substrate cations)
Transition to the term photosensitizer:
ThreePhotosensitizer*+1Substrate →TwoPhotosensitizer-+TwoSubstrate+ (3)
Alternatively, electrons transfer from the excited triplet photosensitizer molecule to the substrate.
ThreePhotosensitizer*+1Substrate →TwoPhotosensitizer++TwoSubstrate- (4)
The produced radicals can react with other radicals in the annihilation reaction, or
It can react with higher multiplicity molecules in radical multiplication reactions.
For example, photosensitizer radicals produce oxygen radicals that can kill pathogens
Can be utilized via a type II reaction. Reaction of oxygen with biomolecules is very ergogenic
However, such reactions do not occur spontaneously. Biomolecules are typical
In general, singlet multiplicity, but the oxygen we breathe is paramagnetic with triplet multiplicity
It is a body molecule. According to Wigner's spin conservation law, this form of biomolecules and oxygen
Reactions are less likely to occur (Allen, 1994). However, ground state triplet acid
Element (ThreeOTwo) Is a singlet acid in a type II reaction using an electronically excited triplet photosensitizer.
Can be converted to a prime:
ThreePhotosensitizer*+ThreeOTwo→1Photosensitizer +1OTwo * (5)
This triplet-triplet annihilation proceeds via the singlet reaction interface and is
Bottom state singlet photosensitizer molecule and singlet oxygen molecule (1OTwo *) Occurs. OTwoElectronic
Excited form1ΔgIs the ground state OTwo ThreeΣg22.5kcal / mol energy
It is. In the singlet state, OTwoIs the allowed spin with singlet multiplicity biomolecules
Can be directly involved in the reaction. in this way,1OTwo *Electrophilic oxygenation activity of bacteria and
Can be directed to killing other pathogens or to inactivating the virus.
1OTwo *+ Microorganism → killing or inactivating microorganisms. (6)
Photosensitizer-mediated inactivation of blood virus is essentially due to such a type II singlet
Both the type I and type II mechanisms occur through the oxygen mechanism, whereas the red blood cell
Contributes to bleb damage. (Rywkin et al., 1992).
Most singlet electronically excited molecules have relatively short lifetimes (eg, 10-8Seconds)
You. Their short-lived nature limits their involvement in chemical reactions. Those luck
Life is to return to the ground state by photon emission. Fluorescence is their singlet basis
It is the energy product of a singlet excited molecule that relaxes to a state. Triplet electronically excited molecule
Has a relatively long lifetime (eg, 10-2~TenTwoSeconds). Phosphorescence is a singlet basis
It is the energy product of a triplet excited molecule that relaxes to a state. Excitation by intersystem crossing
The transition of Equation 2 from the singlet state to the excited triplet state is a low likelihood event. So
Thus, the excited triplet is in a metastable state and can participate in chemical reactions. Singlet*→ One
Unlike triplet transition fluorescence, triplet*→ Singlet transition phosphorescence is chemically quenched
And especially OTwoVery sensitive to quenching. Relatively long triplet excited state
Long lifetimes are the result of low likelihood of spin transitions.
Oxygen is unusual in that its ground state is a triplet. Singlet excited state
Relaxation from the state to the triplet ground state also requires intersystem crossing, in the opposite direction
You. The low probability of this transition is1OTwo *Responsible for the relative metastability of In aqueous solution1OTwo *
Has been reported to be in the microsecond range (Merkel and Kearns, 197
2).
in this way,1OTwo *Can act as a chemical reactant, but due to its short lifespan,
The response radius is limited to within 0.1-0.2 micrometers of the point of formation (Lindig and
And Rodgers, 1981).
Haloperoxidase monooxygenation activity: Haloperoxidase (eg, myelo
Peroxidase (MPO) and eosinophil peroxidase (EPO)
Or bromide can catalyze the oxidation of hydrogen peroxide to hypochlorous or hypobromite (Al
len, 1975a, b):
Cl-+ HTwoOTwo―MPO → HOCl + HTwoO. (7)
Reaction of singlet multiplicity of hypohalous acid with additional singlet multiplicity of hydrogen peroxide.
Proceeds through the singlet reaction interface:
HOCl + HTwoOTwo→ Cl-+ HTwoOTwo+1OTwo *, (8)
And, thus, all of the oxygen-containing reaction products are singlet multiplicity
. Thus, haloperoxidase is the same counterpart that can be generated by photosensitizers.
A reaction product,1OTwo *To provide an enzymatic system for generating
Carbohydrate-lectin mechanism in microbial infection and defense Virus feels cells
The mechanism of staining is lectin (which binds to specific sugars on glycoproteins or glycolipids).
(A family of proteins that bind tightly). Influue
Example of a virus, how viral lectins are involved in the infection process
I will explain. Influenza virus is required to enter the cytoplasmic fraction of infected cells.
The hemagglutinin protein on the surface of the virus particles binds to sialic acid on the cell membrane.
(Weis et al., 1988). Thus, influenza hemagglutination
Nitrogen is a lectin that specifically binds sialic acid.
Similarly, HIV-1 and HIV-2 may also be required for cell binding and infection
Lectin-like activity. Two Enzymes of Human Immunodeficiency Virus (HIV-1)
It appears that the envelope glycoprotein has lectin-like activity. HIV-1
Both the outer membrane protein, gp120, and the transmembrane protein, gp41,
, Derived from cleavage of the gp160 precursor, and both proteins
Act as lectin and N-acetylglucosaminyl (GlcNAC) binding lectins (Ha
ihar et al., 1992a and b). Α-D-Mannosyl residue of glycoprotein on host cell membrane
You
And α-D-glucosyl residues serve as anchoring sites for these HIV-1 proteins.
Can act, thus facilitating virus entry into cells. This mechanism is non-CD-4 cells
And / or may assist in CD4-dependent infection mechanisms.
Other lectins can bind to bacteria and viruses. Mannosyl-specific serum
Kuching, a mannan binding protein (MBP), has a broad spectrum of bacterial recognition and
And acute phase proteins involved in complement activation (Holmskov et al., 1994). Manno
Salmonella montevideo containing high-enriched lipopolysaccharide shows high MBP binding levels
(Van Emmerick et al., 1994). MBP also binds to the HIV-1 envelope protein.
Inhibit HIV-1 infection of cells in vitro (Lifson et al., 1986; Robins
on et al., 1987; Ezekowitz et al., 1989; Hansen et al., 1989). α-D-mannosyl residue and
Concanava, a plant lectin with affinity for α-D-glucosyl residues
Phosphor A (ConA) is also a viral gp120 enzyme that attaches to HIV-1 but binds CD-4.
Does not interfere with the envelope glycoprotein (Gattegno et al., 1992). But lymphoid cells
Of Con-A-conjugated HIV-1 on HIV decreases in a carbohydrate-specific, dose-dependent manner
(Gattegno et al., 1992).
Many bacteria are known to bind to and aggregate with red blood cells, and this
The collection is inhibited in some cases by specific monosaccharides. This is
It has been shown that bacterial lectins mediate this binding. Mannose specific surface
Lectins include Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Salmonella species, Serrat
Present on ia marcescens, Shiglla, Enterobacter, and Erwinia species (Du
guid and Old, 1980; Speert et al., 1984). Binding to N-acetylglucosamine
E. coli lectins with specificity have also been reported (Vaisanen-Rhen et al., 1983).
). With various carbohydrate specificities, these and other lectins are
Provides an immobilization mechanism that mediates bacterial binding to and is required during early infection
Found in the appendages of filamentous bacteria called fimbriae or pili
. E. coli type I ciliary binding to various mannose derivatives and complex type mannose
The relative specificity of cutin binding has been reported (Firon et al., 1983). Lectin knot
The case was directed to the short oligomannose chain of the N-linked glycoprotein. Like that
Unique structures are common to mucosal cell surfaces (Sharon and Lis, 1982). Same lek
A pattern of tin specificity was observed from several bacteria of the same bacterial genus. this child
That mannose can play a major role in infection by a wide variety of bacteria
Suggests. (Firon et al., 1984).
Binding and fungicide properties of haloperoxidase.: Haloperoxidase in white blood cells
Myeloperoxidase (MPO) and eosinophil peroxidase (EPO)
A cationic glycoprotein that selectively binds and kills bacteria (Allen, 199
2, US Patent Application No. 07 / 660,994; Allen, 1995, US Patent No. 5.389,369). MPO
The binding and killing specificity of EPO and EPO to certain Gram-negative microorganisms
Includes a chin-carbohydrate binding mechanism. MPO and EPO are both mannose and
And N-acetylglucosamine (Yamada et al., 1981; Miyasaki et al., 1986; Olsen et al.
1985; Allen, unpublished finding of lectin binding specificity). Thus, MPO and E
PO is Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Salmonella species, Serratia mar
Many gram shades including cescens, Shigella species, Enterobacter species, and Erwinia species
(Duguid and
Old, 1980; Speert et al., 1984). E.co with N-acetylglucosamine binding specificity
The li lectin has also been reported (Vaisenen-Rhen et al., 1983). These recti
The binding of MPO and EPO to bacteria that carry
Yes, and is essentially independent of ionic strength.
As discussed above, HIV-1 and HIV-2 produce α-D-mannosyl and N-acetate.
Binding via an envelope protein with tylglucosaminyl carbohydrate structure
I do. Thus, both viruses can selectively bind to MPO and EPO. MPO and E
PO is known to inactivate viruses, including HIV-1 (Klebanoff and
And Belding, 1974; Klebanoff and Coombs, 1991). In addition, prepare with ExOxEmis
NIH-sponsored contract studies using MPOs and EPOs have shown high HIV-1 resistance to AZT
Level inactivation was demonstrated.
Molecular and particle sieving (gel filtration): Regularly arranged at regular intervals
There are microporous materials that interweave with subcellular channels. Groove network
May comprise a substantial proportion of the total amount of microporous material. Porous substances have a crystalline structure
From aluminum silicate or aluminum phosphate, and cross-linked dextran
Includes a composed gel.
Porath and Flodin (1959) provide a tool for rapid separation of macromolecules based on size.
Cross-linked dextran beads (ie Sephadex (Pha
rmaca)) was introduced. Generally referred to as gel filtration
The procedure does not require the use of a gel and is not a true filtration. Three of beads
A dimensional molecular network is composed of many open pores of a certain size range.
If the pore size is too small to allow a large molecule to enter, the molecule is excluded.
On the other hand, molecules smaller than the pore size can enter the pore matrix. Follow
Thus, molecules that cannot enter the pore matrix are excluded from this section of the gel, and
Runs off the gel at the same rate as the aqueous solution. A smaller part of the maze in the hole
Very large volumes of solution are required to elute the pups. Smaller to penetrate the hole
Molecules can be retained by the equilibrium of molecules entering and leaving the pore. Small molecule size and
The shape and the size and shape of the pores determine the equilibrium conditions. In this way physical
The degree of specific binding determines the delay in elution time.
Gel filtration techniques have been used to isolate and purify viruses. example
Crude bovine warts by gel filtration using Fine Chemicals, Uppsala, Sweden).
It has been purified from the extract. Hjorth and Moreno-Lopez, J.A. Virol. Methods,
Barley yellow dwarf virus can be used to
It is refined from wheat. Hewish and Shukula, J.M. Virol. Methods, 7: 223-228
(1983). In both cases, purity (as determined by SDS-PAGE) and isolated
The yield of the virus obtained was high. Therefore, this reduces virus particles in solution.
9 illustrates the selectivity and ability of a gel filtration solid support to sequester. these
The result is that virus particles are easily separated from larger particles by gel filtration technology
Demonstrate what can be done.
Various molecules can be covalently linked to the chemically activated sieve. Many laps
Known techniques are available for these purposes (e.g.
Affinity Chromatography (Pharmacia Fine Chemicals)
Provided).
Summary of the Invention
The present invention provides pores sized to allow entry of pathogen particles but exclude blood cells.
And a microporous material having the same. Here, the singlet oxygen production system has its microporosity
Binds to substance. A typical microporous material for this purpose is a controlled pore glass
And carbohydrate polymers. In an exemplary embodiment, the pore is a virus particle.
Size in the range of about 0.1 μm to about 1.0 μm to allow penetration of Or
The pores can be up to about 3 μm in size to allow bacterial entry. Singlet oxygen
The production system can be a photoactivated photosensitizer or an enzymatic system. Appropriate
Photosensitizers include phthalocyanine, porphyrin, methylene bull
, Hypericin, fluorescein derivatives, and psoralen. Singlet
Preferred enzyme systems for the system for producing oxygen include oxidase and
Contains haloperoxidase. The oxidase is preferably present in the blood
The substrate can be oxidized. A suitable oxidase for this purpose is lactate oxidase
, Oxalate oxidase, glucose oxidase and cholesterol oxy
And Dase. Haloperoxidase, myeloperoxidase, eosinophils
Selected from the group consisting of peroxidase and fungal chloroperoxidase
Can be Singlet oxygen production systems can be microporous, either covalently or non-covalently.
May bind to sexual substances. Microporous materials include beads, wafers, gel filtration matrices
Configure or form devices such as filters, filters, bags, or tubes
I can do it.
In a particularly preferred embodiment, the ligand that binds to the pathogen particle is a microporous
It also binds to substances. Ligands include high mannose glycans, N-glucosamine,
N-acetylglucosaminyl nucleus of glycans, mannosyl nucleus of complex N-linked glycans,
Mannan, α-methyl mannoside, haloperoxidase, sulfated polysaccharide, low content
Dextran sulfate, and lectins. Good for this purpose
Preferred ligands are the haloperoxidase myeloperoxidase and lekoperoxidase.
Includes chin concanavalin A. In an exemplary embodiment, the microporous material is
Concanana to which lactate oxidase and myeloperoxidase are bound respectively
Takes the form of a carbohydrate polymer carrying valine A.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1 shows microporous material in contact with blood, and a pore diameter of 1 μm
To eliminate red blood cells (RBC) as efficiently as possible
Is shown in the figure.
Figure 2 shows that myeloperoxidase (MPO) and oxidase are covalently linked.
The pores (lumens) of the microporous material (sieving material) are illustrated. Regan on MPO
Close to the virus particles that have been captured by the
Schematic illustration of oxidase and MPO-catalyzed reactions producing singlet oxygen in close proximity
I do.
FIG. 3 shows that the virus killing activity of singlet oxygen is limited by its short lifespan
Illustrate valid radii (overlapping red circles) within a range. According to reports,
The lifetime of singlet oxygen is in the microsecond range, so its radius of reactivity is
Its production is limited to 0.1 μm to 0.2 μm.
Fig. 4 shows a sieve substance containing Concanavalin A to which MPO is non-covalently bound.
Is exemplified. Oxidase is bound to the sieve material. The virus is conca
In the pore by ligand-receptor interaction with navalin A, MPO or both
Selectively retained. Singlet oxygen produced by the immobilized enzyme kills the virus
Wound or inactivate.
Detailed Description of the Preferred Embodiment
The invention relates to biological fluids of pathogen particles such as viruses and bacteria (eg,
Blood) is provided. Microporous substances are pathogen particles
To allow entry of desired cells (eg, cells of blood) in a biological fluid.
Having pores that are sized to exclude the sexual element). According to the present invention, singlet oxygen production
The system is coupled to the microporous material. Microporous substances are found in blood and other raw materials.
Pathogens (eg, viruses, bacteria, prions, or other similar
Form a sieving matrix where the size of the pathogen particles) is removed and inactivated.
To achieve. In an exemplary embodiment, the enzyme component of the singlet oxygen production system comprises
It is connected to the groove of the gel. Pathogen binding ligand molecules also
Can be combined.
The nature of the sieving gel, and especially its pore size, depends on the molecules held by the substance.
Alternatively, the size of the particles is specified. Generally, gel particles are made of natural polymers and synthetic
It is a polymerizable substance including a polymer. Polymers are linear or branched long
Are often covalently linked to each other to form
High molecular weight compounds consisting of smaller subunits that also have interchain bonds between the units
It is. The polymerizable material used in gel filtration is a natural polysaccharide (eg,
, Agarose, dextran, and cellulose) and synthetic polymers (eg,
Polyacrylamide, polytrisacrylamide, and hydroxylated vinyl
Polymer). These polymers include particles having various pore sizes (and
Can be formed into beads). The size of the pores in the matrix is
It can be controlled by the degree of crosslinking. Generally, highly crosslinked polymers are:
It has a smaller pore size than the lightly crosslinked polymer.
For the present invention, the pore sieving matrix is a crosslinked carbohydrate (eg, poly
Dextran, controlled pore glass, or other suitable materials). Frame
Allyldextran crosslinked with bridged agarose and bisacrylamide
Many of these materials are commercially available, including psala, Sweden). these
In gels, the polymeric material is crosslinked to various degrees using bisacrylamide.
Polysaccharide.
A variety of devices are available for sieving materials (eg, beads, tubes, flat porous surfaces, backing
Plastic blood bag, filter, hollow cellulose tube filter,
And gel filtration matrices). Sieve substance is a groove
Communicates with pores or external liquids and allows the passage of liquid or gaseous substances
Void region or void region within the solid material. The diameter of the groove is the pathogenic virus
Large enough to allow the entry of bacteria, bacteria, or other similarly sized pathogens.
Can get. As shown in FIG. 1, the pore diameter is sufficient for the desired cells, especially for the cellular components of blood.
Small enough to eliminate in minutes.
As shown in Table 1, the virus particles contaminating the blood had a diameter of 20 nm (Parbow
Ls) to 150 nm (0.02 μm to 0.15 μm). With the least cellular elements of the blood
Some platelets have a free diameter of about 3000 nm (3 μm). Red blood cells, 7.2-7.
The next smallest molecule in size with a diameter of 9 μm. Thus, about 155n
with pore sizes ranging from about m (about 0.15 μm) to about 2,500 nm (or less than 3 μm)
Any substance that removes virus particles while eliminating blood platelets and other cellular components
Physically house the offspring.
The pore size of about 2.5 μm is for non-viral with a diameter smaller than the platelet diameter.
It is particularly useful for isolating sexual pathogens. Bacteria are typically 2 μm in diameter
And most or all bacteria have pores with a diameter of about 2-3 μm.
Can get into it. Therefore, the size of the pores just slightly smaller than the platelet diameter of 3 μm
Kasa contains most pathogens that are expected to contaminate the blood supply.
In a first embodiment of the present invention, a photosensitizer (eg, a fluorescein derivative)
Or a phthalocyanine derivative or other suitable molecule) can be
The covalent bond binds to the surface of the groove present in the pores of the sieve material. Sometimes, "photodynamic
A "photosensitizer", also known as a "dye", transfers the energy of the excited state to another compound.
Or a compound or molecule that can be transferred to a molecule. Photosensitizers absorb photons of light rays
After that, the state becomes electronically excited, and then the energy of the excited state is transferred to another compound.
Or transfer to molecules. The excited energy is converted to oxygen molecules (ie,
Oxygen at the bottom,ThreeOTwo), Thereby causing the excited oxygen molecules (ie, excited
Oxygen in the state,1OTwo *The photosensitizer that produces) is a singlet oxygen photosensitizer.
The photosensitizer is converted to a triplet excited state when illuminated with light of the appropriate wavelength.
Characteristics. The excited triplet photosensitizer molecule is then
Involved in a type II reaction with triplet oxygen in the ground state of
Reactive singlet oxygen,1OTwo *To produce
The photosensitizers contemplated by the present invention include visible light (about 350 nm to about 700 nm) and near-
It is a photosensitizer that absorbs infrared rays (about 700 nm to about 1000 nm). Activate photosensitizer
Purify the blood because the light needed to be absorbed is not absorbed by red blood cells
Preferred photosensitizers for the red region (about 600 nm to about 700 nm) and the near infrared region
Includes compounds that absorb visible light. Exemplary families of photosensitizers suitable for the present invention
Lee is acridine, fluorescein, xanthine, rhodamine, porphyrin
, Cyanines, and phthalocyanines. Specific useful in compositions of the invention
Photosensitizers include methylene blue, hypericin, hematoporphine, and fluorescein.
And derivatives of fluorescein (eg, rose bengal)
, Eosin, and erythrosine).
In a related embodiment, to assist in capturing or retaining the pathogen particles,
On the surface of the pore, the virus or bacterial binding composition may also be covalent or non-covalent
It is connected associatively. The enhanced capture of the virus results in ligands (
(E.g. concanavalin A or other lectins).
Can be achieved by Further capture of pathogens can be
Luic acid, mannose, N-acetylglucosamine, haloperoxidase (eg,
Myeloperoxidase or eosinophil peroxidase), or
And other known to have the ability to bind to molecules present on the surface of bacteria
(Any substance). This embodiment
An important advantage is that ligand-mediated binding of the pathogen is itself and its own.
It serves only to partially remove the pathogen particles from the blood.
The main advantage of using a photosensitizer attached to a microporous sieving material is
The approach prevents the problem of photosensitizers binding to important blood components, the circulatory system
Eliminating the toxicity associated with introducing photosensitizers into cells, and also cellular components
To minimize damage to the The relative disadvantage of this approach is that
That is, a light beam is needed to drive the objective action. But OTwoElectronic excitation ofThree
Σg→1ΔgIs a relatively low energy transition requiring about 23 kcal / mol. blood
For the purification of liquids, in the red and near infrared which are not absorbed by hemoglobin
Even enough conversion molecules can be used to drive this process.
In a second preferred embodiment of the present invention, the sieve material is chemically HOCl or
And1OTwoIs covalently or non-covalently linked to an enzyme system that can produce One
This
Systems such as halides and H2 as substrates to produce singlet oxygenTwoOTwo
Consisting of the aforementioned haloperoxidase which requires Haloperoxidase is salt
Hydrogen peroxidase oxidation of bromine or bromine to hypochlorous or hypobromite.
Mediate. The amount of chlorine normally present in the blood is determined by myeloperoxidase.
Provide sufficient halide for the catalyzed reaction (Allen, US Pat. No. 5,389,369)
issue). Therefore, hypohalous acid is an additional component of hydrogen peroxide.
A reaction with offspring produces singlet oxygen. Directly around the reactive singlet oxygen molecule
The virus or bacteria present on the side is inactivated or killed. Hole too large
Blood components that cannot enter theTwoOTwoOr significant singlet oxygen
I can't. Haloperoxidases suitable for the present invention include myeloperoxidase,
Includes eosinophil peroxidase, and fungal chloroperoxidase.
Oxidases that can act on the substrates normally present in the blood are readily available
To provide the hydrogen peroxide substrate required by haloperoxidase.
Such oxidases include lactate oxidase, oxalate oxidase, choles
Use terol oxidase, glucose oxidase, or substrates in the blood
Other oxidases that have the ability to For example, insufficient amounts of lactic acid or
If glucose is present, these substrates may not be sufficient for the selected oxidase.
Can be added to blood or blood collection bags to ensure proper hydrogen peroxide production
. Lactate oxidase reacts with HTwoOTwoProduces:
Lactic acid + OTwo→ Pyruvate + HTwoOTwo (9)
In equation (9), the peroxide is converted from lactic acid to L-lactic acid: OTwoOxidoreductase E
Produced by C 1.1.3.x (Naka, 1993). Lactic acid is typically relatively present in the blood
It is an excellent substrate present at high concentrations. The venous blood of a normal and healthy adult is 1 mm (9 mg).
/ dL). Lactic acid is the end product of glycolytic metabolism,
It is a major product of Lucose metabolism. Each molecule of metabolized glucose is 2 molecules
To produce lactic acid. Lactic acid continues to be produced by erythrocytes during blood bank storage
You. Thus, the peroxide produced by lactate oxidase is a sieve-bound halo.
Provides a substrate for peroxidase.
Other oxidases (eg, oxalate oxidase (oxalate: OTwo Oxide
Reductase, EC1.2.3.4), cholesterol oxidase (cholesterol: OTwo
Oxidoreductase, EC1.1.3.6.), Glucose oxidase, etc.
Substrates are also present in blood and can be used in a similar manner. These, and other
Oxidases are well known, and some of these are disclosed in U.S. Patent No. 5,389,369.
It is described in some detail in the issue.
Figure 2 shows a surface with lactate oxidase and myeloperoxidase bound.
1 schematically shows a cross-sectional view of a virus-containing hole. This hole has a diameter of about 0.2μm ~ 0.3μm
Yes, including the size of two viral particles of HIV (ie, about 0.1 μm in diameter).
Larger pores can be used to cover bacterial and even cellular pathogens.
Apart from the advantages of capturing pathogen particles, the isolated environment of the pores also
Acts to concentrate and ligate substrates and products required for interaction
. FIG. 2 further shows that the oxidation of lactate to pyruvate is close to the captured virus particles.
Touched1OTwo *How the production of is driven. FIG.1OTwo *Activity
Shows the extent to which gender is limited due to its short lifetime (overlapping circles).
For the enzyme system of the present invention, concanavalin A has a haloper
Oxidases can be used for non-covalent attachment. Concanavalin A molecule
It is a protein lectin derived from beans. Concanavalin A molecule is carbohydrate
It has four sites that can be non-covalently attached to an object and thus has the ability to aggregate various animal cells
Having. As illustrated in FIG. 4, the tetravalent molecule concanavalin A is a microporous matrix.
"Platform" to guide some components of the components in close proximity within the pores of Trix
Can act as " To achieve this multi-component proximity, concanavalin A
One of the reactive sites is first covalently bound to the microporous substrate itself, and then its lectin
Reactive site binds haloperoxidase and mannosylated oxidase
Is allowed to do so. Under empirically controlled stoichiometric conditions, lectin molecules
Defines a reactive site available for binding to a receptor present on a virus or bacterium.
Still have. This strategy is illustrated in FIG. This is because MPOs
Shows covalently attached concanavalin A that is covalently bound. In this example,
The oxidase is directly linked to the sieving molecule, whereas in other applications the oxidase is
It can be nonsylated and non-covalently linked to Concanavalin A.
H in the pore environmentTwoOTwoLimiting the production of has several advantages. This is the pathogen
Maximize contact between body particles and pore-bound myeloperoxidase,TwoOTwoDilution
, And HTwoOTwoMake sure that they do not come into contact with red blood cells
H by catalaseTwoOTwoTo avoid the conversion). The blood cellular component is also HTwoOTwoBreaking
Protected by limiting catastrophic effects to the pore environment. Most importantly, this
This limits peroxide production by oxidase at the site of MPO. Restrictions on pore space
Is also HOCl (HTwoOTwoDependent MPO-catalyzed product of chloride oxidation) but additional HTwoOTwoAnd anti
In response1OTwo *Is produced. In the pore space1OTwo *Enzymatic production of
High level of focus without the need for exogenous energy sources
Ensure anti-pathogen activity. Unlike systems based on photosensitizers,1OTwo *The enzyme
Production has the advantage that no external light source is required. Spatial restrictions are
Reaction radius less than 0.2 μm required for maximum virus lethality or bactericidal action
Limited lifespan by localizing pathogens within1OTwo *The reaction potential of
You.
The present invention provides for the use of pathogen particles, particularly viruses, from blood or other liquids.
Compositions useful for removing bacteria, bacteria, and prions. For example,
The microporous composition of the present invention is a drug produced by cultured eukaryotic cells or prokaryotic cells.
Can be used to remove viruses from biological preparations. In addition, the composition is pure
It can be applied to remove pathogens from virtually any fluid that requires a degree.
The composition of the present invention is such that pores are opened on surfaces that interact with the liquid to be purified.
In all or a part of the microporous material. Typical minute
Porous materials include controlled pore glass and polymers (eg, crosslinked carbohydrates)
I do. These holes allow entry of pathogen particles (eg, viruses and bacteria).
It is the appropriate size to work. The method for producing holes of the desired diameter is
It is known in the field. The size of the pores in the crosslinked polymer may be, for example,
The pores in the glass beads can be controlled, but can be controlled by manipulating the amount of the agent.
Can be established by etching. About 0.
Pores ranging in size from 1 μm to about 1.0 μm, and about
Pores up to 2.5 μm in size are particularly useful. Holes less than about 2.5 μm in diameter
It offers the advantage of excluding cellular components of, for example, blood) from the interstices of the porous material.
The compositions of the present invention also employ one or more ligand-receptor pairs.
obtain. Generally, a ligand is a receptor molecule or a receptor molecule on the surface of a cell or virus.
A molecule or group of molecules that binds to a site. One such pair is one of the pair
One member binds to the microporous material, and the other member is a microorganism (eg,
Microorganisms, if present on the surface of viruses or bacteria)
Adhere to the microporous material by the force of the non-covalent bond between the two members of the
Consists of two molecules with sufficient affinity for each other. Composition of the present invention
For substances, members of the ligand-receptor pair that bind to the microporous surface are:
Ligands referred to as "ligands" and on the surface of a virus or bacterium
A molecule is a “receptor”. Concanavalin A is a virus (eg, HIV-
1) Ligand capable of binding to the above mannan oligosaccharide receptor (s)
This is an example.
Various substances, including carbohydrate moieties, glycoproteins, lectins, etc.
Can form a composition of a do-receptor pair. Suitable ligands include high mannose
Can, mannosylated surface of complex N-linked glycans, mannosyl
Nucleus, N-acetylglucosamine and its derivatives, mannan, sulfated polysaccharides (eg,
For example, heparin or low molecular weight (MW) dextran sulfate (DS), lectin (eg,
, Concanavalin A and α-D-mannosyl, α-D-glycosyl residues, and N-
Other lectins sharing concanavalin A affinity for cetyl glucosamine
). Concanavalin A adheres to HIV-1 (Gattegno et al., 1992) and
And also binds to EPO, MPO, and mannosylated oxidase.
The compositions of the present invention provide that the ligand is spread over the microporous material, and particularly over the material.
Need to be bonded to the hole. These types of molecules are covalently bonded to the polymer surface.
Methods are widely available for interlocking.
The microporous material of the present invention can be configured into various devices. Such devices are
, Beads, gel filtration matrices, filters, bags, tubes, and hollow cellulose
Includes the filters that make up the iris tubes. For example, to remove microorganisms from blood
For example, blood may be filtered ex vivo through a filter or column containing microporous material.
Let through. The blood can be filtered before being placed in the storage bag, or
Is
Can be filtered when removed from the bag, or both
. Inactivates particulate virus and / or bacteria while blood is stored in the bag
In order for the blood to be stored, the inner surface of the bag where the blood is stored is a thin layer of microporous material.
Substances or beads that can be coated or consist of microporous substances
A tube lined with wafers or wafers can simply be placed inside the bag. These
And other devices so that equilibrium can be established between pathogens within and outside the pores.
Meet the criteria that the microporous material comes into contact with the liquid to be purified.
Example1. A microporous material with controlled pores.
Any composition having pores of the required size is a microporous material (ie,
Sieve material). Several different types of sieve materials are commercially available
Have been. Sephacryl S-1000 (Pharmacia, Sigma S-1000) is a 40-105 μm
Diameter and 1x109Allyl dextran and dalton, which have a Dalton pore size exclusion limit
And a cross-linked copolymer of N, N'-methylenebisacrylamide. Sepharose
CL2B (Pharmacia, Sigma CL-2B-300) also has a bead diameter of 60-200 μm.
And 0.2x109Cross-linked agarose that excludes Dalton pores and is used against small viruses.
Can be used. Controlled pore glass heats the borosilicate glass being processed
And rubbing out boric acid with an acid. With controlled holes
Glyceryl Glass (Sigma GG3000-200) has a pore size of 0.3 μm (300 nm).
Available in 20-200 mesh (75-125 μm diameter).
Many technologies use chemically activated sieve materials and activated materials.
Available for covalently bound proteins (Jakoby and Wilchek, 1
974). Below is CNBr activation of Sephacryl, Sepharose, and glyceryl glass
And MPO, EPO, lactate oxidase, to activated sieve substances
And examples of concanavalin A binding.2. Preparation of sieve material
The following preparation steps were applied separately: 20 ml stock suspension in 20% ethanol
Sepharose 2B (Sigma CL-2B-300); 20 ml stock suspension in 20% ethanol
Sephacryl S-1000 (Sigma S-1000); Solid 10 ml (10 cc) Glyceryl-Glass
Cotrolled Pore (Sigma GG3000-200).
In the first step, the sieve material is leached to 50 ml with distilled water and
er) on top for 30-60 minutes. Next, the substance is allowed to settle, and the aqueous supernatant is decanted.
I did it. The material was washed with a second 50 ml of distilled water as before. second time
After decanting the wash water, 2M phosphate buffer (PB), pH 11.4, (536 g NaTwoHP
OFour-7HTwoO / L HTwoAdjusted to pH 11.4 with O and NaOH) until a final volume of 50 ml
Was added. Place under vacuum for 1 hour to degas, then place in ice bath to cool
placed.3. The sieve material can be activated using bromocyan (CNBr) (Sigma C-6388). When.
Highly buffered alkaline bromo cyanide (CNBr) method (Porath, 1974; Par.
ikh et al., 1974) for bead activation and protein coupling.
Was. Add 2 g of CNBr crystals to 20 ml of cold distilled water and mix to dissolve.
Was. (Only 50% of the crystals were dissolved after 30 minutes.)
A total of 4 ml of CNBr (200 mg total at approximately 50 mg / ml) was added over 0.5 ml over the interval.
. 4 volumes of H at 4 ° CTwoWash the beads with a 0.2 μm filter using O.
Was.4. Covalent linkage of protein to cyclic imino carbonate on beads.
MPO-lactate oxidase (MPO-LOx), EPO-LOx, and concanavalin A
Prepared for the coupling as follows:
(A.)MPO-LOx (And lactate oxidase): 5ml myeloperoxidase (
10 mg, porcine, ExOxEmis, Lot 1899201, total 70 nmol), 3.2 mg
And Pediococcus sp. (3.2 mg, 108 units, Sigma L-06380).
(B.)EPO-LOx (And lactate oxidase): 5 ml of eosinophil peroxidase (
10 mg, porcine, ExOxEmis, Lot 1929201, 150 nmol), 3.2 mg
(Pediococcus sp., 3.2 mg, 108 units, Sigma L-06380).
(C.)Con-A: 10 mg of concanavalin A, type IV, Canavalin ensiformis (Sigma
C-2010) was dissolved in 5 ml of distilled water.
Similarly, oxidases that can use substrates present in the blood were prepared concomitantly.
Obtained and allowed to bind to the activated beads.
The beads activated above were treated with 0.25 M bicarbonate buffer (BB), pH 9.0 (pH was adjusted with NaOH).
21g NaHCOThree/ L HTwoResuspended in O) to a final volume of 30 ml. Se above
Contains each of pharose 2B, Sephacryl S-1000, and Glyceryl Glass
Divide each 30 ml bead suspension into equal volumes into three tubes, for a total of nine tubes
did. For each bead preparation tube: 1.75 ml MPO-LOx, 1.75 ml EPO-LOx, and
And 1.75 ml of ConA were added. Then place the tube on a rocker to mix gently.
-Place on a rocker table and react at 22 ° C overnight (12 hours)
.
Upon completion of the coupling, a 1 M glycine solution (75 g glycine / l) was prepared.
And added to each bead suspension to a final volume of 50 ml. Glycine,
Provided to react with any unreacted imino carbonate remaining on the column.
The successful binding of haloperoxidase to the beads indicates that the derivatized
This was evident from the coloration of the dose. Once settled, the bead preparation is MPO specific
A pale green color and an EPO orange-brown color. After the beads have settled
UV-visible spectroscopy was performed to quantify the protein remaining in the supernatant.
The amount of MPO bound to each type of beads was 78 mM-1cm-1Use the millimolar extinction coefficient of 4
By measuring the reduced (dithionite) -oxidized difference spectrum at 75 nm
And quantified.
The results showed that 23.3 nmol of MPO bound to each type of bead.
The amount of EPO bound to the beads was 125 mM-1cm-1At 449 nm using extinction coefficient
Original (dithionite)-quantified as a difference spectrum to be oxidized.
The results indicated that 50 nmol of EPO bound to each type of bead.
Vibration to which either MPO or EPO is bound with Dulbecco's Phosphate Buffer pH 7.4
Washes once more and a final volume of 10 in Dulbecco's Phosphate Buffer was used.
It was adjusted to ml.
To determine the maximum amount of MPO and EPO that can bind to each type of activated bead
Was not performed. However, the results not shown in this example indicate that the binding capacity of the beads
The force suggests that it is much greater than the amount bound in this experiment. Join
The amount is such that further increases in concentration do not result in an increase in the amount of protein binding to the beads.
Higher concentrations of MPO and EPO during the binding step until the
It can be maximized by incremental additions.5. Bacteriophage model of pores: lactate-oxidase-haloperoxidase Virus inactivation.
Bacteria, like eukaryotic cells, are susceptible to viral infection and lysis. This kind of
The virus is called bacteriophage or phage. Bacteriophage
Are comparable in size to animal viruses, and their presence is
Plaques that form on bacterial "lawn" (ie, lyse or clarify (cl
earing) can be measured by their ability to form an area. Bacteria off
The number of pages can be measured as the number of plaque forming units per sample volume
.
Bacteriophages are not covered by the outer membrane and are the target HI for blood infectivity.
It shows a different surface than V and hepatitis virus. But bacteriophage
Due to the size and ease of detection, the pores of the present invention: oxidase-haloperoxy
It is possible to test the size-specific inactivation quality of the sidase preparation.
The bacteriophage suspension is added to the prepared MPO and EPO conjugated beads described above.
Make contact. Bacteriophages enter the pores of the beads and are
Interacts non-covalently with concanavalin A and / or EPO or MPO
You. After the beads have settled, the supernatant is collected and the bacteriophage in the supernatant is collected.
Is determined using standard bacteriological techniques. As a control,
Make sure that the bacteriophage suspension was not added with MPO and EPO during the binding step.
Except for (1) and (2), the beads are brought into contact with the beads that have been subjected to all the preparation steps described above. Bind to beads
The efficiency of phage killing by the MPO and EPO enzymatic systems
It is determined by comparing the trawl titer with the test titer.6. Pore bacterial model: lactate-oxidase-haloperoxidase inactivation.
The functional capacity of untreated and MPO-LOx binding sieving material (porous beads) is approximately 0.5μ
Uses Escherichia coli, a short gram-negative bacillus with a cell width of m
And tested. E. coli in trypticase soy broth medium for about 16 hours at 37 ° C
And cultured. Bacteria are concentrated by centrifugation and the final concentration is measured turbidimetrically
10 per milliliter by (titration)6~Ten7Bacteria.
The binding-killing ability of the different sieve preparations described above was tested as follows. Less than
Was placed in each test tube:
(1) 100 µl (microliter) sieve material (beads) suspension
Suspension;
(2) 100 μl of E. coli suspension (about 106Bacteria);
(3) 100 μl of 0.1 M lactic acid (finally 10 mm lactic acid); and
(4) 700 μl of normal saline (0.85% NaCl)
The materials were mixed gently and allowed to incubate at 24 ° C. for 1 hour. Mix the ingredients
To obtain a homogeneous suspension, diluted and pre-plated on trypticase soy broth.
I did it. The number of E. coli colony forming units (CFUs) was
It was measured after the incubation.
The results were as follows:
Sieve substance E.coli (final CFU / μl)
None 4,520,000
Sepharose CL 2B
-3,000,000 unprocessed
-MPO-LOx combination 830,000
Sephacryl S1000
-Untreated 2,920,000
-MPO-LOx combination 200,000
Glyceryl-Glass
-Untreated 3,160,000
-MPO-LOx combination 91,000
The slight decrease in E. coli CFU observed with untreated sieving material was
It is thought to reflect the binding and capture of bacteria without. In particular, different MP
E. coli removal and / or killing by O-LOx binding sieve
Example. Three different MPO-LOx binding sieves were tested. Among these, gly
The pore size of ceryl-glass is larger than the pore size of Sephacryl S1000, while
The smallest pore in this group was that of Sepharose CL-2B. Therefore, MPO-LOx combined Se
pharose CL-2B was not the most effective of the three sieves tested
. This latter material also bound the least amount of MPO-LOx.
Having illustrated and described preferred embodiments of the invention, the spirit and scope of the invention have been described.
It can be appreciated that various modifications can be made without departing from the scope. In particular,
The compositions and methods described herein can be used to transform pathogenic microbes from any form of liquid.
It can be applied to remove objects. The aforementioned publications are incorporated herein by reference.
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(51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考)
A61K 31/5415 A61K 31/54 602
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38/44 C12N 7/02
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7/04 A61K 37/50
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(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
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