JP2018506985A - 細胞内へのボツリヌス神経毒素の特異的取り込みを強化するための方法 - Google Patents

細胞内へのボツリヌス神経毒素の特異的取り込みを強化するための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化するための方法であって、神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることを含み、インキュベーションが、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つを含み、それによって細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化する、方法を提供する。加えて、本発明は、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を直接決定するための方法であって、a)神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることであって、インキュベーションが、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つを含むことと、b)細胞を固定し、任意選択で、界面活性剤を用いて細胞を透過性にすることと、c)細胞を、未切断基質及び神経毒素により切断された基質に特異的に結合する少なくとも1つの第1の捕捉抗体並びに神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合する少なくとも1つの第2の捕捉抗体と、捕捉抗体と基質との結合を可能にする条件下で接触させることと、d)細胞を、第1の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第1の検出抗体と、第1の検出抗体と第1の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第1の検出複合体を形成すること、及び第2の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第2の検出抗体と、第2の検出抗体と第2の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第2の検出複合体を形成することと、e)工程d)の第1及び第2の検出複合体の量を決定することと、f)細胞中の神経毒素ポリペプチドによって切断された基質の量を、第2の検出複合体を用いて計算し、それによって、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を決定することと、を含む、方法に関する。【選択図】図1

Description

本発明は、細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化するための方法であって、神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることを含み、インキュベーションが、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つを含み、それによって細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化する、方法を提供する。加えて、本発明は、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を直接決定するための方法であって、a)神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることであって、インキュベーションが、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つを含むことと、b)細胞を固定し、任意選択で、界面活性剤を用いて細胞を透過性にすることと、c)細胞を、未切断基質及び神経毒素により切断された基質に特異的に結合する少なくとも1つの第1の捕捉抗体、並びに神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合する少なくとも1つの第2の捕捉抗体と、捕捉抗体と基質との結合を可能にする条件下で接触させることと、d)細胞を、第1の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第1の検出抗体と、第1の検出抗体と第1の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第1の検出複合体を形成すること、及び第2の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第2の検出抗体と、第2の検出抗体と第2の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第2の検出複合体を形成することと、e)工程d)の第1及び第2の検出複合体の量を決定することと、f)細胞中の神経毒素ポリペプチドによって切断された基質の量を、第2の検出複合体を用いて計算し、それによって、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を決定することと、を含む、方法に関する。
クロストリジウム・ボツリナム(Clostridium botulinum)及びクロストリジウム・テタニ(Clostridium tetani)は、極めて強力な神経毒素、すなわち、それぞれボツリヌス毒素(Botulinum toxin、BoNT)及び破傷風毒素(Tetanus toxin、TeNT)を産生する。これらのクロストリジウム神経毒素(Clostridial neurotoxin、CNT)は、神経細胞に特異的に結合し、神経伝達物質の放出を崩壊させる。それぞれの毒素は、不活性なプロセシングされていないおよそ150kDaの一本鎖タンパク質として合成される。翻訳後プロセシングは、ジスルフィド架橋の形成、及び細菌性プロテアーゼによる限定的なタンパク質分解(ニッキング)を伴う。活性な神経毒素は、およそ50kDaのN末端軽鎖及びジスルフィド結合によって連結されるおよそ100kDaの重鎖という2つの鎖からなる。CNTは、構造的及び機能的に、3つのドメイン、すなわち、触媒性軽鎖、移行ドメイン(N末端側の半分)及び受容体結合ドメイン(C末端側の半分)を含む重鎖からなる;例えば、Krieglstein 1990,Eur.J.Biochem.188,39;Krieglstein 1991,Eur.J.Biochem.202,41;Krieglstein 1994,J.Protein Chem.13,49を参照されたい。ボツリヌス神経毒素は、150kDaの神経毒素タンパク質及び関連する非毒性タンパク質を含む分子複合体として合成される。複合体の寸法は、クロストリジウム株及び異なる神経毒素血清型に基づいて異なり、300kDaから、500kDaを上回って、900kDaの範囲に及ぶ。これらの複合体中の非毒性タンパク質は、神経毒素を安定化させ、分解から保護する;Silberstein 2004,Pain Practice 4,S19〜S26を参照されたい。
クロストリジウム・ボツリナムは、A〜Gで示される7つの抗原性が異なる血清型のボツリヌス神経毒素(BoNT/A〜BoNT/G)を分泌する。すべての血清型は、クロストリジウム・テタニによって分泌される関連破傷風毒素(TeNT)とともに、SNAREタンパク質を切断することによってシナプス開口分泌を遮断するZn2+エンドプロテアーゼである;Couesnon,2006,Microbiology,152,759を参照されたい。CNTは、ボツリヌス中毒及び破傷風において見られる弛緩性筋麻痺を引き起こす;Fischer 2007,PNAS 104,10447を参照されたい。最近では、新しいボツリヌス毒素型、すなわち、BoNT/Hが特定されている;Barash and Arnon,J.Infect.Dis.(2014),209(2):183〜191及びDover,Barash,Hill,Xie and Arnon,J.Infect.Dis.(2014),209(2):192〜202を参照されたい。
その毒作用にもかかわらず、ボツリヌス毒素複合体は、多数の疾患において治療薬として使用されている。ボツリヌス毒素血清型Aは、斜視、眼瞼けいれん及び他の障害の治療のために、1989年に米国でヒトへの使用が承認された。それは、例えば、商品名BOTOX(Allergan,Inc.)又は商品名DYSPORT/RELOXIN(Ipsen,Ltd)で、ボツリヌス毒素A(BoNT/A)タンパク質調製物として市販されている。改良された、複合体不含のボツリヌス毒素A調製物は、商品名XEOMIN(Merz Pharma GmbH&Co.KGaA)で市販されている。治療適用のために、この調製物は、治療を受ける筋肉に直接注射される。生理学的pHにおいて、毒素がタンパク質複合体から放出され、望ましい薬理学的作用が生じる。ボツリヌス毒素の作用は一時的なものでしかなく、このことが、治療効果を維持するためにはボツリヌス毒素を反復投与することが必要とされ得る理由である。
クロストリジウム神経毒素は、随意筋力を減弱させ、斜視、頚部ジストニアを含む限局性ジストニア及び良性特発性眼瞼けいれんに有効な治療法である。これらは、更に、片側顔面けいれん及び限局性痙直を軽減し、更には胃腸障害、多汗症、及び美容上のしわ矯正など、広範な他の適応症において有効であることが示されている;Jost 2007,Drugs 67,669を参照されたい。
クロストリジウム神経毒素の製造過程の際には、この神経毒素の定性的及び定量的決定並びに生物学的に活性な神経毒素ポリペプチドの品質管理が、特に重要である。加えて、政府機関は、単純で信頼でき、かつ検証済みのボツリヌス毒素活性アッセイのみを承認している。現時点では、致死率試験であるマウス50%致死量バイオアッセイが、依然として、製薬業者が調製物の効力を分析するために使用される「ゴールドスタンダード」となっている;Arnon et al.(2001),JAMA 285,1059〜1070を参照されたい。しかしながら、近年では、動物試験の必要性並びにこの種の動物に基づくアッセイに関連するすべての不都合、費用、倫理上の懸念を減少させるため、代替的なアプローチを模索するために相当な努力がなされている。加えて、規制当局は、製薬企業がボツリヌス神経毒素の効力試験に3つの「R」の原則:「動物の使用数の削減、動物使用に伴う苦痛の削減、動物を用いない方法に置き換える(Reduce, Refine, Replace)」を適用するよう取り組んでいる;Straughan,Altern.Lab.Anim.(2006),34,305〜313を参照されたい。結果として、生きた動物を使用する方法に対する合理的な代替方法を提供するために、細胞に基づく試験システムが開発された。それにもかかわらず、これまでのところ、神経毒素ポリペプチドに十分に感受性であることが示されている、神経毒素の生物学的活性の決定に利用可能な細胞試験システムは3つしかない。これらの細胞に基づく試験システムは、インビトロで分化した齧歯類の胚から単離した初代ニューロン(Pellett et al.(2011),Biochem.Biophys.Res.Commun.404,388〜392)、神経分化人工多能性幹細胞(Whitemarsh et al.(2012),Toxicol.Sci.126,426〜35)及びSiMa細胞系のサブクローン(国際公開第2010/105234号(A1))の使用を含む。
しかしながら、初代ニューロンの単離は、動物の殺害を必要とし、労力を要し、時間がかかる。更に、異なる初代ニューロンを使用した試験システムは、大きなばらつきを示す。同様に、神経分化人工多能性幹細胞の生成は、難しく、時間がかかる。加えて、そのような細胞の保管は、非常に問題がある。腫瘍細胞系を使用したアッセイは、BoNTに対する感受性が十分でないことが多い。更に、この腫瘍細胞系には複雑な分化プロトコルが必要であり、その結果、この細胞系を使用したアッセイには大きなばらつき及び/又は高い失敗率が生じる。
上記を踏まえると、神経毒素ポリペプチド活性の決定のための更なる試験システムが、非常に望ましい。
したがって、本発明の根底にある技術的問題は、前述の必要性に応じた手段及び方法の提供であると考えることができる。技術的問題は、特許請求の範囲及び本明細書において以下に特徴付けられる実施形態によって解決される。
第1の態様において、本発明は、細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化するための方法であって、
神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることを含み、インキュベーションが、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つを含み、それによって細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化する、方法に関する。好ましくは、本方法は、インビトロ法である。
負荷製剤試料の活性の消失動態。BoNT/Aを含有する製剤試料を、最大4週間、70℃で保管した。0、1、2及び4週間後に、試料を取り出し、異なるプロトコルを用いてマウス50%致死量バイオアッセイ並びに細胞に基づくアッセイ(CBA)に供した。x軸に、保管時間を週で示し、y軸には、相対効力を示した。開始時点での効力を100%に設定し、連続的な試験時点を、開始時点と比べて表す。50%致死量バイオアッセイの値は、菱形で示す。K+による脱分極を用いた細胞に基づくアッセイプロトコルを四角形で示し、8時間の毒素インキュベーション時間に続き、64時間の毒素なしのインキュベーション時間を用いたプロトコルを三角形で示し、72時間のインキュベーション時間中に振盪を用いたプロトコルを円形で示す。変更を行わなかったCBAプロトコルは、線記号で示す。まとめると、図1は、細胞に基づくアッセイの3つの実施例の比較を示し、ここで、負荷試料は、基準アッセイであるマウス50%致死量バイオアッセイに匹敵する減衰動態を示す。
クロストリジウム神経毒素ポリペプチドは、シナプス終末内で神経伝達物質の放出を遮断するように作用する。神経毒素は、ニューロンの膜受容体に結合し、エンドソーム様コンパートメントに取り込まれ、pH依存性移行過程を介してエンドソーム膜に浸透することによって、ニューロン内に入る。一旦シナプスの細胞質内に入ると、クロストリジウム神経毒素は、シナプス小胞の融合に必要な対応するSNAREタンパク質基質を切断する。
より具体的には、クロストリジウム神経毒素は、シナプス前神経終末からの神経伝達物質の分泌を特異的に阻害するという点を特徴とする。末梢ニューロンに対する選択性は、SV2及びGT1bなど、異なる受容体の認識によって媒介される。例えば、シナプス前神経終末へのBoNT/Aの特異的な取り込みは、高親和性受容体と低親和性受容体との組み合せを含む、厳密に制御された複数工程の過程である。ガングリオシドGT1bへの結合により、最初の結合工程が媒介され、これによって、BoNT/Aが細胞表面上に集結する。一旦膜に結合されると、原形質膜内での横方向移動により、BoNT/Aと、SV2又はFGFR3などの追加の(タンパク質)受容体との分子間相互作用が促進される。BoNT/Aの受容体は、受容体結合ドメインのC末端内に結合ポケットを有するガングリオシドGT1bである。APR受容体モデルによると、シナプス前膜で微小ドメイン中に集束したシナプス前受容体アレイ(array of presynaptic receptor、APR)が、BoNT/Aを含む神経毒素の特異的取り込みを担う。最初の結合工程を媒介し、BoNT/Aを細胞表面上に集結させるのが、ガングリオシドGT1bへの結合である。一旦膜に結合されると、原形質膜内での横方向移動により、BoNT/Aと、シナプス小胞(Synaptic Vesicle、SV)糖タンパク質2の3つのアイソフォームであり、シナプス小胞がシナプス前膜に融合した後に外側の原形質膜上に曝露されるSV2A(ENSG00000159164)、B(ENSG00000185518)及びC(ENSG00000122012)を含むタンパク質受容体との分子間相互作用が促進される。BoNT/Aは、SV2の第4の管腔ドメイン(luminal domain、LD4)を特異的に認識する。SV2と相互作用するBoNT/A結合ドメインにおける特異的な配列は、依然として特定されていない。グリコシル化SV2A、B及びCはまた、BoNT/Fの受容体として特定されており、グリコシル化SV2A及びBは、BoNT/Eの受容体として特定されている。BoNT/Dは、一方の部位がBoNT/A、B、E、F及びGにおいて既に特定されている位置にあり、もう一方の部位がTeNTの第2のガングリオシド結合ポケットに似ている、2つのガングリオシド結合部位を介してニューロンに進入することが報告された。最近では、BoNT/Dはまた、SV2(3つすべてのアイソフォーム)を使用して海馬ニューロンに進入することが示されているが、BoNT/Dは、BoNT/A及びBoNT/Eとは異なる機序を通じてSV2に結合した。SV2A及びSV2Bはまた、中枢神経へのTeNTの結合及び進入を媒介することが報告されている;Jacky et al.,PLoS Pathog.2013 May;9(5):e1003369及びそこに引用される参考文献を参照されたい。
神経毒素の生理学的作用は、受容体の結合及び神経毒素の軽鎖の移行に続くSNARE複合体のタンパク質の切断に基づく。クロストリジウム神経毒素の生物学的活性の決定は、この神経毒素タンパク質の特徴付けにおける重要な側面であり、とりわけ、クロストリジウム神経毒素を含有する生成物のクリアランスのために、規制当局によって必要とされている。クロストリジウム神経毒素の生物学的活性の測定のための信頼できる試験は、したがって、クロストリジウム神経毒素を含有する生成物の研究、開発及び販売の基盤となる。更に、細胞に基づく試験システムは、倫理上の理由から、これまでの主要な動物試験に置き換わるであろう。そのような細胞に基づく試験システムを確立するために、神経細胞又は細胞系のクロストリジウム神経毒素に対する十分に高い感受性は、必須である。
有利なことに、クロストリジウム神経毒素中毒を受けやすい細胞内へのクロストリジウム神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みは、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つによって増加し得ることが、本発明者らによって発見された。同時に、神経毒素ポリペプチド又はその分解産物の非特異的取り込みは、これらの手段によって低減され得る。具体的には、前述の神経毒素又はその分解産物の非特異的な細胞内取り込みは、細胞を神経毒素とともにインキュベートする期間を短縮することによって、減少する。細胞のK+媒介型脱分極は、神経毒素の特異的取り込みを刺激する。更に、神経毒素中毒時の細胞の撹拌により、神経細胞膜に隣接する生体相の濃度に影響を及ぼし、それによって、細胞内への神経毒素の非特異的取り込みを低減させること及び特異的取り込みを増加させることができる。対応するデータは、以下の実施例に示されている。更に、図1は、細胞に基づくアッセイの3つの実施例の比較を示し、ここで、負荷試料は、基準アッセイであるマウス50%致死量バイオアッセイに匹敵する減衰動態を示す。
したがって、本発明の方法の一態様において、神経毒素ポリペプチド又はその分解産物の非特異的な細胞内取り込みが、低減される。
本発明はまた、ボツリヌス神経毒素の安定な保管の効果として、例えば分解によって損傷した分子に対する選択性を含む。神経伝達物質の放出は、K+媒介型脱分極によって誘発されるため、それに続く小胞体の再取り込みの増加は、GT1bなどの受容体及び/又はSV2タンパク質ファミリーのメンバーとの結合による特異的取り込みを含む。損傷した分子は、受容体に対して減弱した結合を呈し得るか、又は結合を示さない可能性がある。同じことが、振盪などの物理的影響にも当てはまる。損傷した分子の安定性の低い結合は、振盪によって更に低減されるであろう。
細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化するために、神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする期間及び条件下でインキュベートする。そのような期間及び細胞培養条件は、当該技術分野において既知である。本発明の方法において、細胞培養条件は、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つを含む。本発明の方法はまた、前述の工程のうちの2つ、例えば、工程(i)及び(ii)、工程(i)及び(iii)、工程(ii)及び(iii)又は3つすべての工程(i)〜(iii)を含んでもよい。細胞培養条件が、次の工程のそれぞれ、すなわち、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程を含むことが好ましい。
通常は、当該技術分野において神経毒素活性アッセイで使用される細胞培養培地は、約5mMのK+を含有する。ニューロンは、通常、培地から細胞内にK+イオンを能動的に輸送し、サイトゾルから原形質膜を通じて細胞の外側にNa+イオンを能動的に輸送することによって、イオン勾配を確立させる。その結果が膜電位であり、これは、細胞によって厳密に制御され、細胞間の通信を含む複数の異なる細胞過程の基礎となる。原形質膜の特定のイオンの透過性の急激な変化又は膜の片側でのイオン組成の急速な変化が、脱分極と呼ばれる膜電位の変化をもたらす。細胞のK+媒介型脱分極は、細胞培養培地中の増加したK+濃度、例えば、約10mM、20mM、30mM、40mM、50mM又は55mMの追加のK+濃度で、行われ得る。本発明の方法におけるK+の最終濃度は、約15mM、25mM、30mM、35mM、40mM、45mM、50mM、55mM又は60mMのK+であり得る。K+媒介型脱分極の期間は、少なくとも約30分間、1時間、1時間半、2時間、2時間半、3時間又はそれ以上である。
細胞のK+媒介型脱分極及び/又は神経毒素ポリペプチド曝露は、ガングリオシドGT1bの存在下で行われ得る。GT1bは、約5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55又は60μM、好ましくは約15μM〜約50μM、より好ましくは約20μMの濃度で使用され得る。
当該技術分野において使用される神経毒素ポリペプチド曝露時間は、通常、約4時間〜約96時間であり、約72時間であることが多い。短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間は、少なくとも24時間かつ96時間未満、好ましくは少なくとも48時間、少なくとも60時間かつ最大72時間の、神経毒素ポリペプチドでの細胞の中毒化である。
神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌は、当該技術分野において既知の手段及び方法、例えば、磁気撹拌子、回転式スピナーフラスコ又は振盪器を用いて細胞を振盪させることによって、行われ得る。細胞の撹拌は、組織フラスコからの細胞の剥離を回避する、適切な細胞培養培地流動速度で行われる。培地の好適な平均流動速度は、例えば、約25cm/分〜約300cm/分である。
前述した細胞K+媒介型脱分極はまた、GT1b及び神経毒素ポリペプチドの存在下で行われ得、続いて、神経毒素ポリペプチド曝露が、撹拌しながら、更なる期間、例えば、約24時間、36時間、48時間、60時間又は72時間行われてもよい。
神経毒素ポリペプチドなしでのインキュベーションの時間が、神経毒素ポリペプチド曝露に先行することも想定される。例えば、神経毒素ポリペプチドなしでのインキュベーション時間は、約6、12、18、24、30、36、42、48、54又は60時間、好ましくは約16〜約48時間であり得る。
本発明の方法の更に好ましい実施形態は、以下の実施例から誘導することができる。
本明細書で言及される「神経毒素ポリペプチド」又は簡略的に「神経毒素」若しくは「毒素」という用語は、クロストリジウム神経毒素、すなわち、クロストリジウム・ボツリナム神経毒素及びクロストリジウム・テタニ神経毒素、具体的にはボツリヌス神経毒素(BoNT)及び破傷風神経毒素(TeNT)を指す。より具体的には、この用語は、BoNT/A、BoNT/B、BoNT/C1、BoNT/D、BoNT/E、BoNT/F、BoNT/G、BoNT/H(Barash and Arnon,J.Infect.Dis.(2014),209(2):183〜191)及び破傷風神経毒素(TeNT)、並びにこれらのサブタイプを含む。例えば、BoNT/Aのサブタイプには、BoNT/A1、BoNT/A2、BoNT/A3、BoNT/A4及びBoNT/A5が含まれる。BoNT/Bのサブタイプには、例えば、BoNT/B1、BoNT/B2、BoNT/B3、BoNT/B4、BoNT/B5、BoNT/B6、BoNT/B7及びBoNT/B8が包含される。BoNT/Cのサブタイプには、例えば、BoNT/Cl1及びBoNT/Cl2が含まれる。BoNT/D−Cサブタイプもまた包含される。BoNT/Eのサブタイプには、BoNT/E1、BoNT/E2、BoNT/E3、BoNT/E4、BoNT/E5、BoNT/E6、BoNT/E7、BoNT/E8及びBoNT/E9が含まれる。更に、BoNT/Fのサブタイプには、例えば、BoNT/F1、BoNT/F2、BoNT/F3、BoNT/F4、BoNT/F5、BoNT/F6及びBoNT/F7が含まれる。更なるサブタイプは、例えば、Hill et al.(J Bacteriol.2007 Feb;189(3):818〜32.Epub 2006 Nov 17.)に記載されており、この開示の内容は、参照により本明細書に援用される。神経毒素ポリペプチド、特にその軽鎖及び重鎖は、上記のボツリヌス神経毒素又はサブタイプの抗原的に異なる血清型のうちのいずれか1つから誘導可能である。ある態様において、神経毒素ポリペプチドの軽鎖及び重鎖は、BoNT/A、BoNT/B、BoNT/C1、BoNT/D、BoNT/E、BoNT/F、BoNT/G、BoNT/H又はTeNTからなる群から選択される神経毒素の軽鎖及び重鎖である。別の態様において、神経毒素ポリペプチドをコードするポリヌクレオチドは、配列番号1(BoNT/A)、配列番号3(BoNT/B)、配列番号5(BoNT/C1)、配列番号7(BoNT/D)、配列番号9(BoNT/E)、配列番号11(BoNT/F)、配列番号13(BoNT/G)又は配列番号15(TeNT)に示される核酸配列を含む。更に、ある態様において、配列番号2(BoNT/A)、配列番号4(BoNT/B)、配列番号6(BoNT/C1)、配列番号8(BoNT/D)、配列番号10(BoNT/E)、配列番号12(BoNT/F)、配列番号14(BoNT/G)又は配列番号16(TeNT)のうちのいずれか1つに示されるアミノ酸配列をコードする核酸配列を含むポリヌクレオチドが包含される。更に、本発明の方法のある態様において、配列番号2(BoNT/A)、配列番号4(BoNT/B)、配列番号6(BoNT/C1)、配列番号8(BoNT/D)、配列番号10(BoNT/E)、配列番号12(BoNT/F)、配列番号14(BoNT/G)及び配列番号16(TeNT)からなる群から選択されるアミノ酸配列を含むか又はそれからなる、神経毒素ポリペプチドが包含される。また、例えばDover,N.et al.,(2014),J Infect Dis 209(2):192〜202に示されている、最近説明されたBoNT/Hの対応する核酸配列及びアミノ酸配列も包含される。
別の態様において、前述のポリヌクレオチドは、前述のポリヌクレオチド又はポリペプチドの変異体である。変異体は、前述のクロストリジウム神経毒素アイソフォーム又はサブタイプなど、天然の神経毒素ポリヌクレオチド又はポリペプチドであり得る。例えば、ボツリヌス神経毒素のそれぞれの血清型には、それらのアミノ酸配列及びこれらのタンパク質をコードする核酸も多少異なる、天然のボツリヌス神経毒素変異体が存在し得ることが、当業者に認識されている。
変異体はまた、非天然の神経毒素ポリペプチドであってもよい。本明細書に使用されるとき、クロストリジウム神経毒素の「非天然の変異体」という用語は、ヒトによる操作を用いて生成されたクロストリジウム神経毒素を意味し、遺伝子操作若しくは組み換え方法によって、例えば無作為な変異生成又は合理的設計を用いて生成されたクロストリジウム神経毒素、内部若しくは外部タンパク質分解酵素などの酵素の活性によって修飾されたクロストリジウム神経毒素の酵素修飾変異体、又は化学合成によって生成されたクロストリジウム神経毒素が含まれるがこれらに限定されない。「遺伝子操作」とは、クロストリジウム神経毒素をコードする遺伝子又はDNA若しくはmRNAなどのそれぞれの核酸を修飾することによって、任意の血清型/サブタイプの天然のクロストリジウム神経毒素を修飾するための、当該技術分野において既知の方法を指す。神経毒素ポリペプチドをコードするポリヌクレオチド又は神経毒素ポリペプチドの遺伝子操作のための組み換え方法は、当該技術分野において十分に説明されている;例えば、Sambrook,J.&Russell,D.(2001).Molecular Cloning:a Laboratory Manual,3rd edn.Cold Spring Harbor,NY:Cold Spring Harbor Laboratoryを参照されたい。
更に、本明細書において言及される天然又は非天然の変異体ポリヌクレオチドは、別の態様では、配列番号1、3、5、7、9、11、13若しくは15のいずれか1つに示される核酸配列又はDover,N.et al.,(2014),J Infect Dis 209(2):192〜202に示されるBoNT/Hの核酸配列に少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%又は少なくとも99%同一である核酸配列変異体、あるいは配列番号2、4、6、8、10、12、14若しくは16のいずれか1つに示されるアミノ酸配列、又はDover,N.et al.,(2014),J Infect Dis 209(2):192〜202に示されるBoNT/Hのアミノ酸配列に少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%又は少なくとも99%同一であるアミノ酸配列をコードする核酸配列変異体を含むものとする。本明細書に使用される「同一」という用語は、2つの核酸配列間又は2つのアミノ酸配列間における同一なアミノ酸の数を決定することによって特徴付けられる配列同一性を指し、ここで、これらの配列は、最上位の一致が得られるようにアライメントされる。これは、例えば、BLASTP、BLASTN又はFASTA(Altschul 1990,J Mol Biol 215,403)などのコンピュータプログラムにおいて体系化されている公開済みの技法又は方法を使用して計算することができる。同一性パーセントの値は、一態様において、例えば、神経毒素ポリペプチドの軽鎖若しくは重鎖又はその両方のアミノ酸配列全体にわたって、計算される。様々なアルゴリズムに基づく一連のプログラムは、当業者が異なる配列を比較するのに利用可能である。この文脈において、Needleman及びWunsch、又はSmith及びWatermanのアルゴリズムにより、特に信頼性の高い結果が得られる。配列アライメントを行うために、PileUpプログラム(Higgins 1989,CABIOS 5,151)又はGCGソフトウェアパケット(Genetics Computer Group 1991,575 Science Drive,Madison,Wisconsin,USA 53711)の一部であるGap及びBestFitプログラム(Needleman 1970,J Mol Biol 48;443;Smith 1981,Adv Appl Math 2,482)を使用することができる。上述の配列同一性の値は、本発明の別の態様において、GAPプログラムを次の設定:ギャップ重み:50、長さ重み:3、平均一致:10.000及び平均不一致:0.000で配列領域全体にわたって使用して、パーセント(%)で決定されるが、これらの設定は、別途示されない限り、配列アライメントの標準設定として常に使用するものとする。ある態様では、前述の変異体ポリヌクレオチドのそれぞれは、それぞれの神経毒素ポリペプチド、すなわち、BoNT/A、BoNT/B、BoNT/C1、BoNT/D、BoNT/E、BoNT/F、BoNT/G、BoNT/H又は破傷風神経毒素(TeNT)の本明細書に定義される生物学的特性のうちの1つ以上を保持し、別の態様ではそのすべてを保持する、ポリペプチドをコードする。プロセシングされていない前駆体はいくらかの生物学的機能を発揮し得るか、又は部分的に活性であり得ることが想定できるとはいっても、完全な生物学的活性は、タンパク質分解活性化の後にのみ維持されることを、当業者であれば理解するであろう。クロストリジウム神経毒素の生物学的活性を評価するためのインビボアッセイには、マウス50%致死量アッセイ並びにPearce et al.(Pearce 1994,Toxicol.Appl.Pharmacol.128:69〜77)及びDressler et al.(Dressler 2005,Mov.Disord.20:1617〜1619,Keller 2006,Neuroscience 139:629〜637)によって説明されているエキソビボマウス片側横隔膜アッセイが含まれる。生物学的活性は、一般に、マウス単位(MU)で表現される。本明細書に使用されるとき、1MUは、腹腔内注射の後に、指定されたマウス集団の50%を殺滅させる神経毒素成分の量、すなわち、マウス腹腔内50%致死量である。更なる態様において、変異体ポリヌクレオチドは、改善又は改変された生物学的特性を有する神経毒素をコードし得、例えば、それらは、酵素認識が改善された切断部位を含み得る、及び/又は受容体結合、内部移行、エンドソーム膜を越えてサイトゾル内への移行若しくはSNAREタンパク質ファミリーの対応する基質の内部タンパク質分解切断(endoproteolytic cleavage)が改善され得る。
非天然のクロストリジウム神経毒素変異体の非限定的な例としては、保存的クロストリジウム神経毒素変異体が挙げられる。本明細書に使用されるとき、「保存的クロストリジウム神経毒素変異体」という用語は、少なくとも1つのアミノ酸が、本明細書の他の箇所に記載される基準クロストリジウム神経毒素配列、例えば、配列番号2、4、6、8、10、12、14若しくは16又はDover,N.et al.,(2014),J Infect Dis 209(2):192〜202に示されるBoNT/Hのアミノ酸配列に由来する元のアミノ酸のものに類似の少なくとも1つの特性を有する別のアミノ酸又はアミノ酸類似体によって置換されている、クロストリジウム神経毒素を意味する。この変異体は、基準配列と比較して、1つ、2つ、3つ、4つ、5つ又はそれ以上の保存的アミノ酸置換を有し得る。変異体は、基準クロストリジウム神経毒素配列と同等又はそれよりも改善された特性を有するであろう。特性の例としては、類似の寸法、トポグラフィー、電荷、疎水性、親水性、親油性、共有結合能力、水素結合能力、物理化学特性など又はこれらの任意の組み合わせが挙げられるがこれらに限定されない。好ましくは、特性は、本明細書の他の箇所に定義される生物学的特性、すなわち、(a)受容体結合、(b)内部移行、(c)エンドソーム膜を越えてサイトゾル内への移行及び/又は(d)シナプス小胞の膜融合に関与するタンパク質の内部タンパク質分解切断である。保存的クロストリジウム神経毒素変異体は、保存的クロストリジウム神経毒素変異体の基礎となる基準クロストリジウム神経毒素と実質的に同じ様式で機能することができ、本発明の任意の態様において、基準クロストリジウム神経毒素の代わりに用いられる。本明細書に記載されるクロストリジウム神経毒素は、典型的に、天然のアミノ酸残基を含有するが、一部の事例においては、非天然のアミノ酸残基もまた存在してもよい。したがって、特定のアミノ酸又はペプチドの構造を模倣する非アミノ酸化学構造体を含み得るいわゆる「ペプチド模倣体」及び「ペプチド類似体」もまた、本発明の文脈内で使用され得る。そのような模倣体又は類似体は、一般に、類似した物理的特徴、例えば寸法、電荷又は疎水性並びにそれらの天然のペプチド対応物において見られる適切な空間配向を呈するとして特徴付けられる。ペプチド模倣体化合物の具体的な例は、アミノ酸のうちの1つ以上の間のアミド結合が、当該技術分野において周知のように、例えば、炭素−炭素結合又は他の非アミド結合で置き換えられた化合物である;例えば、Sawyer,in Peptide Based Drug Design,pp.378〜422,ACS,Washington D.C.1995を参照されたい。
本明細書に使用される神経毒素ポリペプチド変異体は、更に、化学的に修飾された神経毒素ポリペプチドを包含する。本明細書に使用される「化学修飾」とは、一般に、任意の血清型又はサブタイプの天然又は組み換えのクロストリジウム神経毒素を、化学反応などの手段によって修飾するための当該技術分野において既知の方法を指し、これは、特に、クロストリジウム神経毒素のアミノ酸の置換、欠失、挿入、付加又は翻訳後修飾を指す。化学的に修飾された神経毒素ポリペプチドは、ピルビン酸化(pyruvation)、リン酸化、硫酸化(sulfatation)、脂質化、ペグ化、グリコシル化及び/又はアミノ酸若しくは例えば約2〜約500個のアミノ酸を含むポリペプチドの化学付加によって修飾されたものであってもよい。例えば、ヒアルロン酸又はポリビニルピロリドン又はポリエチレングリコール又はこれらの混合物を神経毒素ポリペプチドに組み込むことによって、クロストリジウム神経毒素又は化学修飾若しくは遺伝子操作によってクロストリジウム毒素から誘導された毒素を、安定化することができる。
本発明の方法において使用することができるクロストリジウム神経毒素の別の非天然の変異体は、ハイブリッドクロストリジウム神経毒素である。一態様において、ハイブリッドクロストリジウム神経毒素は、クロストリジウム神経毒素の重鎖及び軽鎖の組み合せを含み、ここで、軽鎖及び重鎖は、同じ血清型又はサブタイプのものではない。
そのような化学的、酵素的又は遺伝子的に修飾された、クロストリジウム神経毒素の変異体を作製する方法、並びにそのような変異体が、本明細書において言及される(a)受容体結合、(b)内部移行、(c)エンドソーム膜を越えてサイトゾル内への移行及び/又は(d)シナプス小胞の膜融合に関与するタンパク質の内部タンパク質分解切断などの生物学的特性を維持するかどうかを特定するための方法は、当業者に周知である;例えば、Sambrook(同書)を参照されたい。
本明細書に使用される「神経毒素ポリペプチドの生物学的活性」という用語は、神経毒素ポリペプチドに特徴的な生物学的特性、すなわち、(a)受容体結合、(b)内部移行、(c)エンドソーム膜を越えてサイトゾル内への移行及び/又は(d)シナプス小胞の膜融合に関与するタンパク質の内部タンパク質分解切断を意味する。本明細書に使用される神経毒素ポリペプチドは、上述の特性a)〜d)のうちの少なくとも1つ、好ましくは、シナプス小胞の膜融合に関与するタンパク質の内部タンパク質分解切断、又はa)〜d)に列挙された2つ又は3つ又は4つすべての生物学的特性を呈することが、想定される。神経毒素ポリペプチドの生物学的特性を決定するためのアッセイは、当該技術分野において周知であり、更に、本明細書の他の箇所にも記載されている;例えば、Pellett et al.(2011),Biochem.Biophys.Res.Commun.404,388〜392;Whitemarsh et al.(2012),Toxicol.Sci.126,426〜35を参照されたい。
SNAP−25は、BoNT/A、BoNT/C1及びBoNT/Eの既知の基質であり、これらによって切断される。VAMP/シナプトブレビンは、BoNT/B、BoNT/D、BoNT/F、BoNT/G及びTeNTの基質であり、これらによって切断され、一方でシンタキシンは、BoNT/C1の基質であり、これによって切断される。前述の基質並びに対応する核酸及びアミノ酸の配列は、当該技術分野において周知である;例えば、国際公開第2014/207109号を参照されたい。
本明細書に使用されるとき、「細胞」という用語は、例えばBoNT/Aなどの神経毒素による神経毒素中毒を受けやすい任意の真核生物細胞又は神経毒素を取り込むことができる任意の真核生物細胞を指す。本開示の態様は、部分的に、樹立細胞系に由来する細胞を含む。「細胞」という用語は、様々な生物、例えば、マウス、ラット、ブタ、ウシ、ウマ、アカゲザル、霊長類及びヒト細胞に由来する細胞、様々な細胞種、例えば、神経細胞及び非神経細胞に由来する細胞を包含し、異種細胞集団、組織又は生物から単離され得るか、又はその一部であり得る。本明細書に使用されるとき、「樹立細胞系」という用語は、「不死細胞系」又は「形質転換細胞系」と同義であり、ある生物、組織、又は器官源に由来する細胞集団から無限の増殖(indefinite propagation)のために選択された細胞の細胞培養物を指す。定義として、樹立細胞系は、初代細胞の細胞培養物は除外する。本明細書に使用されるとき、「初代細胞」とは、新たな組織又は器官から直接採取した細胞であり、無限に増殖する能力は有さない。例えば、初代神経細胞を、本発明の方法において使用することができる。樹立細胞系は、異種細胞集団又は一様な細胞集団を含み得る。単一の細胞に由来する樹立細胞系は、クローン細胞系と称される。樹立細胞系は、BoNT/Aなどの神経毒素がSNAP−25などの基質をタンパク質分解切断する(proteolytically cleave)全体的な細胞機序を細胞が経るのに必要なすべての構成要素を細胞が内在的に発現するものであり得、この機序には、BoNT/AとBoNT/A受容体との結合など、神経毒素と神経毒素受容体との結合、神経毒素/受容体複合体の内部移行、細胞内小胞から細胞質内への神経毒素軽鎖の移行及び神経毒素基質のタンパク質分解切断が包含される。あるいは、樹立細胞系は、その細胞に、BoNT/Aなどの神経毒素がSNAP−25などの基質をタンパク質分解切断する全体的な細胞機序を細胞が経るのに必要な少なくとも1つの構成要素が、外因性源から導入されているものであってもよく、この機序には、BoNT/AとBoNT/A受容体との結合など、神経毒素と受容体との結合、神経毒素/受容体複合体の内部移行、細胞内小胞から細胞質内への神経毒素軽鎖の移行及び神経毒素基質のタンパク質分解切断が包含される。遺伝子操作された細胞系とも称される、そのような樹立細胞系に由来する細胞は、例えば、外因性FGFR2、外因性FGFR3、外因性SV2、SNAP−25などの外因性神経毒素基質又はこれらの組み合せを発現し得る。
本明細書に使用される「細胞培養」は、広義として、動物又はヒトから細胞を取り出すこと、並びに好適な人工環境におけるそれらのその後の増殖を指す。細胞は、組織から直接取り出し、培養の前に酵素的若しくは機械的手段によって脱凝集させてもよく、又は細胞は、既に樹立されている細胞系若しくは細胞株から誘導してもよい。初代培養物は、細胞を組織から単離し、適切な条件下において、利用可能な基質のすべてを占有するまで、すなわち、コンフルエンスに達するまで増殖させた後の培養物の段階を指す。この段階において、細胞は、継代培養、すなわち、増殖を継続するためにより多くの空間を提供するようにそれらを新たな増殖培地とともに新たな容器に移すことによって継代させる必要がある。正常な細胞は、通常、増殖能力を失うまでに限られた回数しか分裂せず、これは、老化として知られている遺伝的に決定されている事象であり、これらの細胞系は、有限として知られている。しかしながら、一部の細胞系は、形質転換と称される過程を通じて不死となり、これは、自発的に起こり得るか、又は化学的若しくはウイルスにより誘発され得る。有限細胞系(finite cell line)が形質転換を受け、無限に分裂する能力を獲得すると、それは、連続細胞系(continuous cell line)となる。培養条件は、各細胞種で広範に変動するが、細胞が培養される人工環境は、常に、次のものを含む好適な容器からなる:必須の栄養素(アミノ酸、炭水化物、ビタミン類、ミネラル類)、増殖因子、ホルモン、ガス(O2、CO2)、制御された物理化学的環境(pH、浸透圧、温度)などを提供する基質又は培地。ほとんどの細胞は、足場依存性(anchorage-dependent)であり、固体又は半固体の基質に付着した状態で培養しなければならないが(付着培養若しくは単層培養)、その他の細胞は、培養培地中に浮遊した状態で増殖させることができる(懸濁培養)。
本明細書に示される「神経毒素中毒を受けやすい細胞」という用語は、神経毒素ポリペプチド(例えば、BoNT/A)が神経毒素基質(例えば、BoNT/Aの基質SNAP−25)を切断する全体的な細胞機序を経ることができる細胞を意味し、この機序は、神経毒素ポリペプチドとその対応する受容体との結合(例えば、BoNT/AとBoNT/A受容体との結合)、神経毒素/受容体複合体の内部移行、細胞内小胞から細胞質内への神経毒素軽鎖の移行及び神経毒素基質のタンパク質分解切断を包含する。したがって、本明細書に使用される「神経毒素中毒を受けやすい細胞」は、神経毒素感受性細胞を意味する。前述の用語は、細胞又は細胞系、例えば、単離された初代細胞若しくはその細胞系又は樹立細胞系の細胞若しくは樹立細胞系、例えば、本明細書の他の箇所に定義される、神経芽腫細胞又は神経芽腫細胞系など神経細胞に分化することができる腫瘍細胞又は腫瘍細胞系を含む。例えば、神経芽腫細胞系は、DSMZ(ACC 164)から市販されているSiMa細胞系であり得る。細胞系SiMaの特定のクローンは、更に、国際公開第2010/105234号に開示されている。本発明の方法において使用することができる他の神経芽腫細胞系は、ATCC又はDSMZから、次のATCC又はDSMZ番号で入手することができる:CRL−2263で細胞系N1E−115、CCL−131で細胞系Neuro2a、CRL−2266で細胞系SH−SY5Y、CRL−1721で細胞系PC12、ACC 157(DSMZ)で細胞系MHH−NB−11及びCRL−2271で細胞系SK−N−BE(2)。神経毒素中毒を受けやすい他の腫瘍細胞は、P−19細胞(マウス胚性癌腫細胞系)(DSMZ番号ACC 316)である。一部の態様において、例えば、活性アッセイのために、これらの細胞を神経細胞に分化させることが必要な場合がある。そのような分化方法は、文献において十分に説明されている。神経毒素中毒を受けやすい細胞には、人工多能性幹細胞(iPS)由来のニューロン、好ましくは、ヒト人工多能性幹細胞(iPS)由来のニューロンが、更に包含される;例えば、Whitemarsh et al.(2012)(同書)を参照されたい。そのようなヒトiPS由来のニューロンはまた、例えば、Cellular Dynamicsから市販されている。iPS細胞を生成する方法は、例えば、Yu et al.(Science 2009 May 8;324(5928):797〜801.Epub 2009)、国際公開第2011/056971号及び国際公開第2011/025852号に記載されている。一部の態様において、好適な方法、例えば、国際公開第2012/135621号並びに米国特許出願第2010/0279403号及び同第2010/0216181号に記載されるものを用いて、iPSをニューロンに分化させる。
本明細書に使用される「分化」、「分化すること」又は「分化した」という用語は、特化していないか又は比較的特化していない細胞が、比較的特化した状態となる過程を指す。細胞の個体発生の文脈において、「分化した」という形容詞は、相対的な用語である。したがって、「分化した細胞」とは、ある特定の発達経路を、比較されている細胞よりも先に進んでいる細胞である。分化した細胞は、例えば、最終分化した細胞、すなわち、生物の様々な組織及び器官における特化した機能を行う完全に特化した細胞であってもよく、これは、有糸分裂後であってもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。例えば、iCell(登録商標)ニューロンは、ヒトiPS細胞から最終分化しており、神経細胞の特徴及び機能を呈する。別の実施例では、分化した細胞はまた、分化系統内における前駆細胞であってもよく、この前駆細胞は、更に増殖及び/又は分化することができる。同様に、細胞は、ある特定の発達経路を、比較されている細胞よりも先に進んでいる場合に、「比較的より特化している」ことになる。このため、ここで、比較されている細胞は、「特化していない」又は「比較的特化していない」と見なされる。比較的より特化している細胞は、1つ以上の確認できる表現型の特徴、例えば、特定の細胞成分若しくは生成物、例えば、RNA、タンパク質、特定の細胞マーカー若しくは他の基質の存在、不在若しくは発現レベル、ある特定の生化学的経路の活性、形態学的外観、増殖能力及び/若しくは動態、分化能並びに/又は分化シグナルに対する応答などが、特化していないか又は比較的特化していない細胞とは異なり得、ここで、そのような特徴は、比較的より特化した細胞が、前述の発達経路を先に進んでいることを示す。細胞を神経細胞に分化させるための細胞培養条件は、本明細書に引用されている文献から明らかなように、当該技術分野において周知である。
更に、神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートするための細胞培養条件は、当該技術分野において十分に説明されており、本明細書に引用される刊行物から導くこともできる。
本明細書に使用される「神経毒素ポリペプチドの特異的取り込み」という用語は、神経毒素ポリペプチドが、その特異的神経細胞膜受容体、例えば、BoNT/BについてはSV2、ガングリオシド、GD1a、シナプトタグミンII又はBoNT/D/−CについてはシナプトタグミンIに結合し、エンドソーム様コンパートメントに取り込まれ、pH依存性の移行過程を介してエンドソーム膜に浸透することによって、ニューロンに進入する過程を意味する。したがって、上述の用語は、a)神経毒素ポリペプチドの受容体結合、(b)神経毒素ポリペプチドの内部移行、及び(c)エンドソーム膜を越えてサイトゾル内への神経毒素ポリペプチドの移行を包含する。当業者に理解されるように、神経毒素感受性細胞は、好ましくは、まず神経毒素を取り込み、次いで上記に列挙された全体的な細胞機序を経る。本明細書に示される「神経毒素ポリペプチドの特異的でない取り込み又は非特異的取り込み」という表現は、神経毒素ポリペプチド又はその分解産物が、特異的でない神経細胞膜受容体への結合によって、又は非特異的機序により細胞内に進入することによって、例えば、ピノサイトーシス事象における偶発的な共輸送によって、ニューロン内に進入する過程を意味する。本明細書に使用される神経毒素感受性細胞は、例えば、約100ナノモル(nM)、約10nM、約1nM、約500ピコモル(pM)、約400pM、約300pM、約200pM、約100pM、約90pM、約80pM、約70pM、約60pM、約50pM、約40pM、約30pM、約20pM、約10pM、約9pM、約8pM、約7pM、約6pM、約5pM、約4pM、約3pM、約2pM、約1pM、約0.5pM若しくは約0.1pM又は示された値のうちの1つよりも少ない神経毒素ポリペプチドを取り込み得る。100pMを上回るEC50値が、文献において報告されている。定義として、神経毒素中毒を受けやすい細胞は、少なくとも1つの神経毒素受容体及び少なくとも1つの神経毒素基質を発現するか、又は発現するように操作されていなければならない。神経毒素の受容体及び基質は、当該技術分野において説明されており、本明細書の他の箇所に記載されている。したがって、この細胞は、好ましくは、本明細書に定義される生物学的に活性又は成熟した神経毒素ポリペプチドの影響を受けやすい。好ましくは、本明細書に使用される神経毒素感受性細胞は、例えば、約1nM以下、500pM以下、約400pM以下、約300pM以下、約200pM以下、約100pM以下、約90pM以下、約80pM以下、約70pM以下、約60pM以下、約50pM以下、約40pM以下、約30pM以下、約20pM以下、約10pM以下、約9pM以下、約8pM以下、約7pM以下、約6pM以下、約5pM以下、約4pM以下、約3pM以下、約2pM以下、約1pM以下、約0.9pM以下、約0.8pM以下、約0.7pM以下、約0.6pM以下、約0.5pM以下、約0.4pM以下、約0.3pM以下、約0.2pM以下又は更には約0.1pM以下で神経毒素中毒を受けやすい。当該技術分野において既知のように、「半数効果濃度(half maximal effective concentration、EC50)」は、ある程度の指定曝露時間の後に、ベースラインと最大値との中間の応答を誘発する薬物、抗体又は毒性物質の濃度を指す。これは、薬物の効力の尺度として広く使用されている。段階的な用量反応曲線のEC50は、したがって、その最大の効果の50%が観察される化合物の濃度を表す。量的な用量反応曲線のEC50は、曝露期間の後に、集団の50%が応答を示す化合物の濃度を表す。神経毒素中毒を受けやすい及び/又は神経毒素の取り込み能力を有する細胞又は細胞系、すなわち、本明細書に定義される神経毒素感受性細胞を特定するための方法は、当該技術分野において既知である;例えば、米国出願第2012/0122128号(A1)を参照されたい。神経毒素ポリペプチドの生物学的活性は、ある態様において、前述の生物学的特性のすべてに起因して生じる。神経毒素の生物学的活性の決定に使用することができる、神経毒素に対して十分に高い感受性を有する細胞に基づくアッセイは、本明細書の他の箇所に示されるように、これまでにごくわずかしか先行技術において説明されていない。
本明細書に用いられる「強化する」という用語は、細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みが、(i)細胞のK+媒介型脱分極、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間及び(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌を使用しないクロストリジウム神経毒素中毒と比較して、改善されるか又は増加されることを意味する。細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みは、好ましくは、(i)細胞のK+媒介型脱分極、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間及び(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌を含まない細胞培養条件を使用する方法と比較して、少なくとも1.5倍、少なくとも2倍、少なくとも3倍、少なくとも4倍、少なくとも5倍、少なくとも6倍、少なくとも7倍、少なくとも8倍、少なくとも9倍又は更には少なくとも10倍増加する。一般に、当該技術分野において説明されている方法は、最終濃度約5mMのK+、約72時間の神経毒素ポリペプチド曝露時間を使用し、細胞の撹拌は行わない。上述の手段(i)、(ii)及び/又は(iii)は、細胞内への神経毒素の特異的取り込みを改善するだけでなく、細胞内への示された神経毒素又はその分解産物の非特異的取り込みの低減ももたらすことが、本発明者らによって発見された。細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的でない取り込みは、好ましくは、(i)細胞のK+媒介型脱分極、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌を含まない細胞培養条件を使用する方法と比較して、少なくとも1.5倍、少なくとも2倍、少なくとも3倍、少なくとも4倍、少なくとも5倍、少なくとも6倍、少なくとも7倍、少なくとも8倍、少なくとも9倍又は更には少なくとも10倍低減される。細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的又は非特異的取り込みを測定するための手段及び方法は、文献中及び本明細書に十分に記載されており、以下の実施例において更に示される。例えば、神経細胞培養物におけるSNAP−25タンパク質分解に対するBoNT/A、BoNT/C及びBoNT/E神経毒素曝露の効果は、神経毒素移行の指標として使用することができる。同じことが、神経細胞におけるシンタキシンタンパク質分解に対するBoNT/C神経毒素曝露並びにVAMPタンパク質分解に対するBoNT/E、BoNT/D及びBoNT/G神経毒素曝露にも当てはまる。
本発明の方法の更なる態様において、本発明の前述の方法に続いて、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性の決定を行う。
以下の実施例に示されるように、細胞に基づく効力アッセイは、有利なことに、細胞内へのクロストリジウム神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを、細胞のK+媒介型脱分極、短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間及び/又は神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌を用いて増加させることによって、改善され得る。同時に、細胞内へのこの示された神経毒素又はその分解産物の非特異的取り込みの減少が、観察され得る。
軽鎖アッセイ(ELISA)、Endopep−MS、FRET、HPLC−UPLC、DARETあるいは、例えばSH−SY5Y若しくはNeuro2a細胞、胚性ニワトリニューロン、脊髄若しくは後根神経節由来の初代ニューロン(Pellett et al.(2011),Biochem.Biophys.Res.Commun.404,388〜392)、ウエスタンブロットの読み取り値に基づく胚性幹細胞由来のニューロン(Whitemarsh et al.(2012),Toxicol.Sci.126,426−35)又は分化したヒト神経芽腫SiMa細胞を使用した、細胞に基づくアッセイなど、神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を決定するためのいくつかのアッセイが、当該技術分野において説明されている;例えば、Fernandez−Salas,E.et al.,(2012).PLoS One 7(11)を参照されたい。
第2の態様において、本発明は、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を直接決定するための方法であって、
a)神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることであって、インキュベーションが、(i)細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌工程のうちの少なくとも1つを含むことと、
b)細胞を固定し、任意選択で、界面活性剤を用いて細胞を透過性にすることと、
c)細胞を、未切断基質及び神経毒素により切断された基質に特異的に結合する少なくとも1つの第1の捕捉抗体並びに神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合する少なくとも1つの第2の捕捉抗体と、捕捉抗体と基質との結合を可能にする条件下で接触させることと、
d)細胞を、第1の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第1の検出抗体と、第1の検出抗体と第1の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第1の検出複合体を形成すること、及び第2の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第2の検出抗体と、第2の検出抗体と第2の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第2の検出複合体を形成することと、
e)工程d)の第1及び第2の検出複合体の量を決定することと、
f)細胞中の神経毒素ポリペプチドによって切断された基質の量を、第2の検出複合体を用いて計算し、それによって、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を決定することと、を含む、方法を提供する。
好ましくは、本方法は、インビトロ法である。本発明のこの方法は、細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性の直接的な決定を可能にする。これは、当該技術分野において説明されている方法にあるような、細胞の溶解、並びに切断された神経毒素基質の細胞溶解物からの単離又は濃縮が、もはや必要ではないことを意味する。例えば、当該技術分野のウエスタンブロット分析に基づくアッセイでは、神経毒素基質は、SDSポリアクリルアミドゲルにおけるそれぞれの試料の成分を分離及び濃縮によって、濃縮される。当該技術分野において説明されているECLサンドイッチELISAでは、神経毒素基質の濃縮は、細胞溶解物を添加したマイクロタイタープレートにおいて切断された神経毒素基質に特異的に結合する抗体を使用して行われる。切断された神経毒素基質は、前述の抗体との結合によって溶解物から単離され、これにより、切断されたクロストリジウム神経毒素基質の濃縮物が得られる。
対照的に、切断された神経毒素基質、例えば、SNAP−25は、本発明の方法では、細胞において直接的に検出することができる。そのため、本明細書の他の箇所により詳細に定義される神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートする。インキュベーションは、本明細書の他の箇所に記載されるように、細胞のK+媒介型脱分極、短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間及び/又は神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌を含む。これらの手段により、神経毒素の特異的な細胞内取り込みを強化し、同時に、細胞内への神経毒素又はその分解産物の非特異的取り込みを低減させる。次の工程において、細胞を、例えば、メタノール、エタノール、アセトン、ホルムアルデヒドなどの固定剤又は示された固定剤の混合物の添加によって、固定する。任意選択で、細胞を、Triton X−100、Tween 20、サポニン、ジギトニン又はn−オクチル−β−グルコピラノシドといった少なくとも1つの界面活性剤を使用することによって透過性にしてもよい。界面活性剤は、PBSなどの適切な緩衝液中に含まれていてもよい。続いて、細胞を、未切断基質及び神経毒素により切断された基質に特異的に結合する少なくとも1つの第1の捕捉抗体、並びに神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合する少なくとも1つの第2の捕捉抗体と、捕捉抗体と基質との結合を可能にする条件下で接触させる。本明細書において、第1の捕捉抗体は、未切断基質及び神経毒素により切断された神経毒素基質の両方に存在する適切なエピトープに特異的に結合することによって、細胞中の神経毒素基質の全含量又は量を決定することができる。第2の捕捉抗体は、例えば、神経毒素基質における神経毒素により切断された部位に特異的に結合することによって、切断された神経毒素基質にのみ存在するエピトープを認識し、それに特異的に結合する。あるいは、細胞を、これらの第1及び第2の捕捉抗体の混合物と接触させてもよい、すなわち、細胞を、上述の条件下で、少なくとも1つの第1の捕捉抗体及び少なくとも1つの第2の捕捉抗体と同時に接触させる。次の工程において、細胞を、第1の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第1の検出抗体と、第1の検出抗体と第1の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第1の検出複合体を形成する。続く工程において、細胞を、第2の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第2の検出抗体と、第2の検出抗体と第2の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第2の検出複合体を形成する。あるいは、細胞を、これらの第1及び第2の検出抗体の混合物と接触させてもよい、すなわち、細胞を、上述の条件下で、少なくとも1つの第1の検出抗体及び少なくとも1つの第2の検出抗体と同時に接触させる。あるいは、細胞を透過性にした後に、それらを、前述の条件下で、第1及び第2の捕捉抗体と第1及び第2の検出抗体との混合物と同時に接触させてもよい。次の工程において、第1及び第2の検出複合体の量を決定する。最後に、細胞中の神経毒素ポリペプチドによって切断された基質の量を、第2の検出複合体を用いて計算する。それによって、神経毒素ポリペプチドの生物学的活性が、細胞において直接決定される。
以下において、本発明の方法をより詳細に説明する。細胞培養のために、神経細胞、SiMa細胞又はiPS由来のニューロンなど、本明細書に定義される神経毒素中毒を受けやすい細胞を、まず、96ウェルのマイクロタイタープレートに播種する。SiMa細胞を、例えば、国際公開第2010/105234号に開示されている手順に従って神経細胞表現型に分化させ、iPS由来のニューロンを、例えば、国際公開第2012/135621号に記載されるアッセイに従って神経細胞表現型に分化させる。次いで、これらの細胞を、BoNT/Aなどの神経毒素ポリペプチドとともに、神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートする。インキュベーションは、本明細書の他の箇所に記載されるように、細胞のK+媒介型脱分極、短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間、及び/又は神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌を含む。
続く工程において、細胞を、ELISAアッセイの前にマイクロタイタープレートに固定する。細胞を固定するために、例えば、氷冷メタノール(−20℃)を、−20℃で20分間、細胞に添加してもよい。
ELISAアッセイを行うために、細胞をまず洗浄する。洗浄緩衝液として、例えば、10mM PBS緩衝液(pH7.4)中の0.1%Triton X−100を使用してもよい。その後で、内在性プロテアーゼを、10mM PBS(pH7.4)中の0.6%H22などのクエンチ緩衝液によってクエンチし、続いてもう1回洗浄工程を行う。続く工程では、マイクロタイタープレートにおける未結合の結合部位を、例えば、10mM PBS緩衝液(pH7.4)及び0.05%Triton X−100中の2%BSAなどの適切なブロッキング緩衝液でブロッキングする。次いで、適切な界面活性剤を用いて細胞を透過性にする。透過化緩衝液として、例えば10mM PBS緩衝液中の0.5%Triton X−100を用いてもよい。透過化は、細胞に形成された孔を通じた抗体の拡散を可能にする。続いて、細胞を、上述のように洗浄緩衝液で洗浄する。
次の工程において、透過性にした細胞を、例えば、2つの異なる抗体の混合物とともにインキュベートする。この混合物は、未切断基質及び神経毒素により切断された基質に特異的に結合する第1の捕捉抗体と、神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合する第2の捕捉抗体とを含む。第1及び第2の捕捉抗体はまた、続けて適用されてもよい。例えば、第1の捕捉抗体は、未切断SNAP−25及び神経毒素により切断されたSNAP−25の両方に特異的に結合することができ、それによって、細胞中のSNAP−25の全量又は含量の定量を可能にする。更に、この第1の捕捉抗体を、評価の際に、細胞中の切断されたSNAP−25の量の正規化に使用することができる。第2の捕捉抗体は、神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合し、したがって、BoNT/Aにより切断されたSNAP−25など、切断された神経毒素基質の決定及び検出が可能となる。
本発明の方法における、続いての全神経毒素基質及び神経毒素により切断された神経毒素基質の検出は、マイクロタイタープレート又は細胞培養皿で、すなわち、細胞内で直接的に行うことができる。そのため、有利なことに、本発明の方法では、当該技術分野において説明されている方法のように細胞抽出物を調製すること、並びに細胞溶解物から神経毒素基質を単離及び/又は濃縮することが必要ない。続いて、それぞれの抗原に結合していない余分な抗体を除去するために、細胞を洗浄する。続く工程において、透過性となった細胞を、少なくとも1つの第1の検出抗体及び少なくとも1つの第2の検出抗体と接触させる。これらの抗体は、混合物として、すなわち同時に、又は続けて適用されてもよい。第1の検出抗体は、第1の捕捉抗体に特異的に結合する。それによって、第1の検出複合体が形成される。第1の検出抗体は、第1の捕捉抗体が由来する種を対象とし得る。例えば、ウサギポリクローナル抗SNAP−25抗体S9684(Sigma)を、未切断基質SNAP−25及びBoNT/Aにより切断された基質SNAP−25に特異的に結合する第1の捕捉抗体として使用する場合、抗ウサギアルカリホスファターゼコンジュゲート抗体を、第1の検出抗体として使用することができる。第2の検出抗体は、第2の捕捉抗体に特異的に結合する。それによって、第2の検出複合体が形成される。第2の検出抗体は、第2の捕捉抗体が由来する種を対象とし得る。例えば、国際公開第2014/207109号に記載されるマウスモノクローナル(mAb)20−2−5を、BoNT/Aにより切断されたSNAP−25に特異的に結合する第2の捕捉抗体として使用する場合、抗マウス西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)コンジュゲート抗体を、第2の検出抗体として使用することができる。第1の検出抗体及び第2の検出抗体が、本発明の方法に使用されるそれぞれの第1及び第2の捕捉抗体の特異的検出を可能にするために、異なる酵素とコンジュゲートされることは、当業者には明らかである。例えば、本明細書の他の箇所に記載されるHRPに基づく検出は、BoNT/Aにより切断されたSNAP−25に使用することができ、アルカリホスファターゼに基づく検出は、全(BoNT/Aにより切断された及び未切断の)SNAP−25に使用することができる。続いて、細胞を再度洗浄する。続く工程において、蛍光性HRP基質を、細胞に添加する。HRP基質として、例えば、Amplex UltraRed(Invitrogen)を使用することができ、これは、540nmで励起され、600nmで放出する。HRP基質とのインキュベーションは、西洋ワサビペルオキシダーゼにより基質が十分に変換されるのに十分な時間、行われる。HRP基質とのインキュベーションに続いて、例えば、AP基質DiFMUP(6,8−ジフルオロ−4−メチルウンベリフェリルホスフェート、励起360nm、放出450nm)を、HRP基質に添加してもよく、細胞を、これら2つの基質の混合物とともにインキュベートする。このAP基質とのインキュベーションは、アルカリホスファターゼによる基質の十分な変換を可能にする時間、行われる。当該技術分野において既知のように、基質は、検出限界の定義に従って、測定されるシグナルが、ブランクの平均値に加えて平均値の3標準偏差と少なくとも同程度の高さになるように十分な量で変換される必要がある。検出限界は、文献に記載のように決定することができる;例えば、Armbruster and Pry,Clinical Biochem.Rev.2008,29(付録1):S49〜S52を参照されたい。アルカリホスファターゼの最適なpHは、アルカリ性の領域にあるため、対応する基質緩衝液は、強アルカリ性である。アルカリホスファターゼ基質をHRP基質に添加すると、西洋ワサビペルオキシダーゼの反応が、アルカリ性pHによって停止され、アルカリホスファターゼがDiFMUPを変換する。変換されたHRP基質は、アルカリ性pHによる影響を受けない。最後に、2つの基質の蛍光を、次のように測定する:
Amplex UltraRed:励起540nm、放出600nm
DiFMUP:励起360nm、放出450nm
当業者には理解されるように、これらの蛍光性基質のみが、使用される基質の励起/放出波長が異なる本発明の方法における第1及び第2の捕捉抗体の検出に適している。この場合にのみ、各抗体、すなわち、全神経毒素基質(未切断SNAP−25及び神経毒素により切断されたSNAP−25など)並びに切断された神経毒素基質(神経毒素により切断されたSNAP−25など)の特異的な検出が可能となる。これによって、各ウェル又は細胞培養皿において同時に神経毒素基質の全含量及び切断された神経毒素基質の含量を定量することが可能となる。これを踏まえると、有利なことに、本発明の方法を自動化することが可能である。本発明の他の箇所に記載されるように、本発明の方法に選択される蛍光性基質は、それぞれの基質の特異的な検出を可能にするために、励起/放出スペクトル間の十分なシフトを呈することが想定される。この要件は、例えば、HRP基質Amplex及びその誘導体並びにAP基質DiFMUPに関して満たされる。最適な事例では、使用される蛍光性基質の励起/放出スペクトル間に重複は存在しないが、使用される蛍光性基質の励起スペクトルのピーク領域の最大30%の重複が、耐容できることが経験されている。本発明の方法に関する更なる詳細は、例えば、国際公開第2014/207109に記載されている。
当業者によって更に理解されるように、本発明の方法は、細胞中の神経毒素ポリペプチドによって切断された神経毒素基質を直接検出及び定量し、それによって細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を決定することを可能にする。有利なことに、本発明の方法は、当該技術分野において既知の方法に必要とされる、細胞溶解物又は抽出物の調製並びに細胞溶解物/抽出物からの切断された神経毒素基質の単離又は濃縮を必要としない。その結果として、試料材料を削減することができる。更に、本発明の方法により、試料中の全神経毒素基質の量及び切断された神経毒素基質の量を同時に決定することができるため、試料調製及び試料の数を低減することができる。当該技術分野において説明されているアッセイでは、試料は、両方の抗原、すなわち、全神経毒素基質及び切断された神経毒素基質を互いに別個に検出するために、再分割する必要がある。本発明の方法により、試料の再分割は不必要になる。それによって、試料の再分割により生じる不均質性を回避することができ、試料材料を削減することができる。更に、抗原は、当該技術分野において説明されているアッセイでは、分解される可能性があり、これにより、切断された神経毒素基質の偽検出が生じ得る。これは、当該技術分野において説明されているアッセイでは、細胞を界面活性剤含有細胞溶解緩衝液とともにインキュベートするが、この緩衝液は神経毒素ポリペプチド又は他の内在性プロテアーゼを不活性化することはできず、その結果、より長く試料を保管した時に神経毒素基質の分解が生じるためである。より強い溶解緩衝液は、先行技術において説明されているECLサンドイッチELISAには使用することができず、これは、このアッセイでは細胞溶解物の使用が必要なためである。これは、上述の抗原の凝集が、細胞培養皿又はマイクロタイタープレートのプラスチック表面への抗原の非特異的な吸着をもたらし得、これが、次に適切な抗体による抗原の検出を妨害するためである。抗原の検出のための抗体も溶解物と接触するため、抗体もまた凝集し得る。この事例では、抗原の信頼性のある正確な検出は、もはや不可能である。本発明者らは、当該技術分野において説明されている神経毒素活性の生物学的活性の検出にウエスタンブロットアッセイを使用することによって、このような分解反応を経験している。−20℃で溶解物をより長く保管すると、新しい溶解試料と比較して、全SNAP−25の検出シグナルは、大幅に低減されたことがわかり、切断された神経毒素基質SNAP−25と未切断の神経毒素基質SNAP−25との比は、凍結の際の分解過程に起因して、シフトした。神経毒素基質の分解及び/又は試料の不安定さは、細胞培養皿に細胞を直接固定することによって回避することができるが、これは、神経毒素基質と神経毒素又は他の内在性プロテアーゼの両方が、細胞培養皿での凝集によって即座に不活性化されるためであることが、本発明者らによって見出されている。これは、例えば、メタノール又は当該技術分野において既知の他の固定薬若しくは固定剤、例えばエタノール、アセトン、ホルムアルデヒド若しくはこれらの混合物又は本明細書に記載される他の固定剤による細胞の固定によって、達成することができる。この固定方法を用いた、例えば親SiMa細胞(ヒト神経芽腫細胞、DSMZ番号:ACC 164)及びiPS由来のニューロン(Whitemarsh et al.(2012),Toxicol.Sci.126,426〜35)の安定性の分析では、新しい細胞培養皿と7日間冷蔵庫で保管したものとの間にいずれの相違も見られなかった。
本発明の方法において第1の捕捉抗体として使用することができる、未切断基質及び神経毒素により切断された基質に特異的に結合する好適な抗体には、例えば、ウサギポリクローナル抗SNAP−25抗体S9684(Sigma)、ウサギポリクローナル抗SNAP−25抗体PA5−19708(Pierce Antibodies)、ウサギポリクローナル抗SNAP−25抗体PA5−19701(Pierce Antibodies)又はウサギモノクローナル抗SNAP−25抗体ab108990(Abcam)が包含される。
本発明の方法において第2の捕捉抗体として用いることができる神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合する適切な抗体には、例えば、マウスモノクローナル抗体クローン20−2−5(国際公開第2014/207109号)、欧州特許第14199282.6号に記載されるマウスモノクローナル抗体、マウスモノクローナル抗体MC−6053(クローン4F3−2C1、R&D Systems)、MAB4733(Abnova)、orb26633(Biorbyt)又はGWB−T00279(Genway)が含まれる。
第1及び第2の検出抗体として使用することができる好適な検出抗体は、当該技術分野において既知である。例えば、第1の検出抗体は、アルカリホスファターゼ(AP)コンジュゲート抗体、西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)コンジュゲート抗体又は蛍光色素にコンジュゲートした抗体であり得る。第2の検出抗体として、例えば、アルカリホスファターゼ(AP)コンジュゲート抗体、西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)コンジュゲート抗体、グルコースオキシダーゼコンジュゲート抗体、チロシナーゼコンジュゲート抗体又はβ−ガラクトシダーゼ抗体を使用することができる。好ましくは、第1及び第2の検出抗体は、本発明の方法に使用されるとき、互いに異なる。
本明細書に使用されるとき、単数形の「1つの(a)」、「1つの(an)」又は「その(the)」は、文脈により別途明確に示されない限り、単数形及び複数形の両方の参照物を含む。例として、「1つの細胞」は、1つ又は1つを上回る細胞を指す。
本明細書に使用されるとき、示された項目、数字、割合又は用語の値を修飾する場合の「約」という用語は、示された項目、数字、割合又は用語の値のプラス又はマイナス10パーセント、9パーセント、8パーセント、7パーセント、6パーセント、5パーセント、4パーセント、3パーセント、2パーセント、1パーセント又は0パーセントの範囲を指す。プラス又はマイナス10パーセントの範囲が好ましい。
本明細書に使用される「含むこと(comprising)」、「含む(comprise)」及び「から構成される(comprised of)」という用語は、「含むこと(including)」、「含む(include)」又は「含有すること(containing)」、「含有する(contain)」と同義であり、包括的又は拡張可能であり、追加の引用されていない項目、要素又は方法の工程を除外するものではない。「含む」という用語が、「からなる」という用語を含むことは、明らかである。より具体的には、本明細書に使用される「含む」という用語は、特許請求の範囲が、すべての列挙された要素又は方法の工程を包含するが、追加の言及されていない要素又は方法の工程も含み得ることを意味する。例えば、工程a)、b)及びc)を含む方法は、その狭義において、工程a)、b)及びc)からなる方法を包含する。「からなる」という語句は、組成物(又はデバイス又は方法)が、列挙された要素(又は工程)だけを有することを意味する。対照的に、「含む」という用語は、工程a)、b)及びc)に加えて、更なる工程、例えば、工程d)及びe)を含む方法も包含し得る。
「1〜5マイクロモルの濃度で」など、数値範囲が本明細書において使用される場合、この範囲には、1〜5マイクロモルだけでなく、1及び5マイクロモルの間の任意の数値、例えば、2、3及び4マイクロモルも含まれる。
本明細書に使用される「インビトロ」という用語は、動物又はヒトの身体の外部又はその外側を示す。本明細書に使用される「インビトロ」という用語は、「エキソビボ」を含むと理解すべきである。「エキソビボ」という用語は、典型的に、動物又はヒトの体から取り出され、体外、例えば、培養容器において維持又は増殖させた、組織又は細胞を指す。本明細書に使用される「インビボ」という用語は、動物又はヒトの体の内部又はその中を示す。
本発明の方法の更なる態様において、細胞のK+媒介型脱分極は、約20mM〜約55mMの追加のK+濃度で、少なくとも2時間行われる。
通常、当該技術分野において使用される細胞培養培地は、5mMのK+を含有する。したがって、本発明の方法におけるK+の最終濃度は、好ましくは、約25mM〜約60mMのK+である。
本発明の方法のなおも更なる態様において、細胞のK+媒介型脱分極及び/又は神経毒素ポリペプチド曝露は、GT1bの存在下で行われる。
本発明の方法の別の態様において、GT1bは、15〜50μM、好ましくは20μMの濃度で使用される。
本発明の方法の更なる態様において、短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間は、少なくとも24時間かつ96時間未満、好ましくは少なくとも48時間かつ最大72時間の、神経毒素ポリペプチドへの細胞の曝露である。
本発明の方法の更なる態様において、神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌は、磁気撹拌子若しくは回転式スピナーフラスコ又は細胞の振盪により達成される。細胞の撹拌は、適切な細胞培養培地流動速度、好ましくは、約25cm/分〜約300cm/分、より好ましくは約25cm/分〜約150cm/分の平均(mean)(又は平均(average))培地流動速度で行われる。
本発明の方法の更なる態様において、細胞のK+媒介型脱分極は、少なくとも約20mM〜約55mMの追加のK+濃度で、少なくとも2時間、20μMのGT1b及び神経毒素ポリペプチドの存在下において行われ、続いて、神経毒素ポリペプチド曝露が、撹拌しながら更に70時間行われる。
本発明の方法の更なる態様において、神経毒素ポリペプチドなしのインキュベーション時間が、神経毒素ポリペプチド曝露に先行する。
本発明の方法の更なる態様において、神経毒素ポリペプチドなしのインキュベーション時間は、16〜48時間である。
本発明の方法の更なる態様において、本方法は、蛍光法である。
本発明の方法の更なる態様において、神経毒素ポリペプチドは、本明細書の他の箇所に定義されるように、BoNT/A、BoNT/B、BoNT/C1、BoNT/D、BoNT/E、BoNT/F、BoNT/G、BoNT/F、BoNT/G、BoNT/H若しくはTeNT又はこれらのサブタイプである。
本発明の方法の更なる態様において、基質は、VAMP/シナプトブレビン、SNAP−25又はシンタキシンである。
本発明の方法の更なる態様において、細胞は、初代神経細胞、神経芽腫細胞、P19細胞など神経細胞に分化することができる腫瘍細胞又は人工多能性幹細胞(IPS)由来のニューロンからなる群から選択される、神経細胞又は神経分化細胞である。
本発明の方法の更に好ましい実施形態は、以下の実施例から誘導することができる。
本発明は、これより、以下の実施例によって例証されるが、これらの実施例は、本発明の範囲を制限すると見なされるべきではない。
実施例1:二重蛍光細胞に基づくBoNT/A活性のELISA
細胞の固定
1.培地/毒素溶液を除去する。100μL/ウェルの氷冷メタノール(−20℃)を添加し、−20℃で20分間インキュベートする。
備考:後続の工程はすべて、室温で行う。
細胞固定後:
1.メタノール溶液を除去し、100μL/ウェルのPBS緩衝液を添加する。より長く保管する場合(>1日)、300μL//ウェルのPBS緩衝液を添加し、プレートをパラフィルムで封止すべきである。プレートは、冷蔵庫で保管すべきである。
2.PBS緩衝液を除去し、細胞を、200μL/ウェルのPBS緩衝液で3回洗浄する。各工程は、緩徐に振盪させながら1分間行うべきである。
3.PBS緩衝液を除去し、100μL/ウェルのクエンチ緩衝液を添加し、緩徐に振盪させながら20分間インキュベートする。
4.クエンチ緩衝液を除去し、細胞を、緩徐に振盪させながら、3分間、300μL/ウェルのPBS緩衝液で1回洗浄する。
5.PBS緩衝液を除去し、200μL/ウェルのブロッキング緩衝液を添加し、緩徐に振盪させながら1時間インキュベートする。
6.ブロッキング緩衝液を除去し、100μLの一次抗体混合物(ブロッキング緩衝液中の抗体希釈物)を各ウェルに添加する。緩徐に振盪させながら一晩(16〜18時間)インキュベートする。細胞を、2つの一次抗体:BoNT/Aにより切断されたSNAP−25に特異的なマウス抗体及びSNAP−25を認識するポリクローナルウサギ抗体(正規化のためにSNAP−25の全量を決定するための抗体)とともに、同時にインキュベートする。
7.一次抗体混合物を除去し、細胞を、200μLのPBS緩衝液で4回洗浄する。各工程は、緩徐に振盪させながら3分間行うべきである。
8.PBS緩衝液を除去し、100μLの二次抗体混合物:HRPコンジュゲート抗マウス二次抗体及びAPコンジュゲート抗ウサギ二次抗体(ブロッキング緩衝液中の抗体希釈物)を各ウェルに添加し、緩徐に振盪させながら2.5〜3時間インキュベートする。
9.二次抗体混合物を除去し、細胞を、200μL/ウェルのPBS緩衝液で5回洗浄し、続いて300μL/ウェルのHEPES緩衝液での洗浄工程を1回行う。各洗浄工程は、緩徐に振盪させながら3分間行うべきである。
10.HEPES緩衝液をプレートから除去し、西洋ワサビペルオキシダーゼに対する蛍光性基質(HRP基質)75μLを各ウェルに添加する。緩徐に振盪させながら50分間インキュベートする。プレートを直射日光から保護する。
11.アルカリホスファターゼに対する蛍光性基質(AP基質)75μLを各ウェルに添加し、緩徐に振盪させながら更に50分間インキュベートする。プレートを直射日光から保護する。
12.蛍光プレートリーダを使用してプレートを読み取る:
励起540nm、放出600nm。
励起360nm、放出450nm。
13.計算
正規化のために、切断されたSNAP−25のRFU値(600nmでの蛍光)を、各ウェルにおいて全SNAP−25(450nm)のRFUに対して正規化する。図でRFUをより良好に示すために、すべての値に、以下の式を用いて係数1000を乗じる:
RFU(600nm)/RFU(450nm)・1000
続いて、得られたRFU値を、各標準物又は試料について平均する。
試薬の調製
PBS緩衝液(10mM):
リン酸緩衝食塩水(Sigma、#P5368)(pH7.4)
クエンチ緩衝液:
10mM PBS緩衝液(pH7.4)中の0.6%H22
ブロッキング緩衝液:
10mM PBS緩衝液(pH7.4)+0.05%Triton X−100中の2%BSA
HEPES緩衝液:
50mM HEPES(pH7.4)
HRP基質:
50mM HEPES(pH7.4)
0.007%のH22
150pM Amplex UltraRed
AP基質:
25mM ジエタノールアミン(pH9.8)
2mM MgCl2
100μL M DiFMUP
実施例2:細胞内へのクロストリジウム神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みの強化
a)iCell(登録商標)ニューロンを解凍し、Cellular Dynamics International(CDI)ユーザマニュアルに従って、4つの異なる細胞バッチから96ウェルプレートに播種した。播種の24時間後に、ユーザマニュアルに記載のように、培地を新しい維持培地と置き換えた。
更に72時間のインキュベーション時間の後に、培地を除去し、様々な濃度のBoNT/A及び総濃度30mMのK+イオン(すなわち、そのような培地と比較して25mMの追加のK+)を含有する新しい培地と置き換えた。2時間後に、高K+培地を除去し、様々な濃度のBoNT/Aを含有する新たな培地を細胞に添加した。
更なる70時間後に、培地を吸引し、細胞を固定し、ELISAの読み取りを実施例1に記載のように行った。このプロトコルの結果を、図1に四角形で示す。
b)iCell(登録商標)ニューロンを解凍し、Cellular Dynamics International(CDI)ユーザマニュアルに従って、4つの異なる細胞バッチから96ウェルプレートに播種した。播種の24時間後に、ユーザマニュアルに記載のように、培地を新しい維持培地と置き換えた。
更に72時間のインキュベーション時間の後、培地を除去し、様々な濃度のBoNT/Aを含有する新しい培地と置き換えた。8時間後に、BoNT/Aを含有する培地を除去し、BoNT/Aを含まない新しい培地を細胞に添加した。
更なる64時間後に、培地を吸引し、細胞を固定し、ELISAの読み取りを実施例1に記載のように行った。このプロトコルの結果を、図1に三角形で示す。
c)iCell(登録商標)ニューロンを解凍し、Cellular Dynamics International(CDI)ユーザマニュアルに従って、4つの異なる細胞バッチから96ウェルプレートに播種した。播種の24時間後に、ユーザマニュアルに記載のように、培地を新しい維持培地と置き換えた。
更に72時間のインキュベーション時間の後、培地を除去し、様々な濃度のBoNT/Aを含有する新しい培地と置き換えた。細胞を、インキュベータのプレート振盪器に設置し、毒素曝露時間中に、300cm/分の平均流動速度で振盪させた。
更なる72時間後に、培地を吸引し、細胞を固定し、ELISAの読み取りを実施例1に記載のように行った。このプロトコルの結果を、図1に円形で示す。
d)iCell(登録商標)ニューロンを解凍し、Cellular Dynamics International(CDI)ユーザマニュアルに従って、4つの異なる細胞バッチから96ウェルプレートに播種した。播種の24時間後に、ユーザマニュアルに記載のように、培地を新しい維持培地と置き換えた。
更に72時間のインキュベーション時間の後、培地を除去し、様々な濃度のBoNT/Aを含有する新しい培地と置き換えた。
更なる72時間後に、培地を吸引し、細胞を固定し、ELISAの読み取りを実施例1に記載のように行った。このプロトコルの結果を、図1に線形で示す。
結論:
まとめると、細胞のK+媒介型脱分極、短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間又は神経毒素ポリペプチド曝露中の細胞の撹拌により、マウス50%致死量バイオアッセイと比較したときに、実施例1の細胞に基づくアッセイの同程度の安定性を示す動態が促進される。

Claims (15)

  1. 細胞内への神経毒素ポリペプチドの特異的取り込みを強化するための方法であって、
    神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、前記神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることを含み、前記インキュベーションが、(i)前記細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の前記細胞の撹拌工程のうちの少なくとも2つを含み、それによって前記細胞内への前記神経毒素ポリペプチドの前記特異的取り込みを強化する、方法。
  2. 続いて、前記細胞における前記神経毒素ポリペプチドの前記生物学的活性を決定することによる、請求項1に記載の方法。
  3. 細胞における神経毒素ポリペプチドの生物学的活性を直接決定するための方法であって、
    a)神経毒素中毒を受けやすい細胞を、神経毒素ポリペプチドとともに、前記神経毒素ポリペプチドがその生物学的活性を発揮することを可能にする時間及び条件下でインキュベートすることであって、前記インキュベーションが、(i)前記細胞のK+媒介型脱分極工程、(ii)短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間の工程及び/又は(iii)神経毒素ポリペプチド曝露中の前記細胞の撹拌工程のうちの少なくとも2つを含むことと、
    b)前記細胞を固定し、任意選択で、界面活性剤を用いて前記細胞を透過性にすることと、
    c)前記細胞を、未切断基質及び神経毒素により切断された基質に特異的に結合する少なくとも1つの第1の捕捉抗体、並びに前記神経毒素により切断された基質の切断部位に特異的に結合する少なくとも1つの第2の捕捉抗体と、前記捕捉抗体と前記基質との結合を可能にする条件下で接触させることと、
    d)前記細胞を、前記第1の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第1の検出抗体と、前記第1の検出抗体と前記第1の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第1の検出複合体を形成すること、及び前記第2の捕捉抗体に特異的に結合する少なくとも1つの第2の検出抗体と、前記第2の検出抗体と前記第2の捕捉抗体との結合を可能にする条件下で接触させ、それによって第2の検出複合体を形成することと、
    e)工程d)の前記第1及び第2の検出複合体の量を決定することと、
    f)前記細胞中の前記神経毒素ポリペプチドによって切断された基質の量を、前記第2の検出複合体を用いて計算し、それによって、前記細胞における前記神経毒素ポリペプチドの前記生物学的活性を決定することと、
    を含む、方法。
  4. 前記細胞の前記K+媒介型脱分極が、約20mM〜約55mMの追加のK+濃度で、少なくとも2時間行われる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記細胞の前記K+媒介型脱分極及び/又は前記神経毒素ポリペプチド曝露が、GT1bの存在下で行われる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. GT1bが、15〜50μM、好ましくは20μMの濃度で使用される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記短縮された神経毒素ポリペプチド曝露時間が、少なくとも24時間かつ96時間未満、好ましくは、少なくとも48時間かつ最大72時間の、前記神経毒素ポリペプチドへの前記細胞の曝露である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 神経毒素ポリペプチド曝露中の前記細胞の撹拌が、磁気撹拌子、回転式スピナーフラスコを用いて、又は振盪器によって前記細胞を好ましくは約25cm/分〜約300cm/分の平均培地流動速度で振盪させることによって、行われる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記細胞の前記K+媒介型脱分極が、少なくとも約20mM〜約55mMの追加のK+濃度で、少なくとも2時間、20μMのGT1b及び神経毒素ポリペプチドの存在下において行われ、続いて、神経毒素ポリペプチド曝露が、撹拌しながら更に70時間行われる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 神経毒素ポリペプチドなしのインキュベーション時間が、前記神経毒素ポリペプチド曝露に先行する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記神経毒素ポリペプチドなしのインキュベーション時間が、16〜48時間である、請求項10に記載の方法。
  12. 蛍光法である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記神経毒素ポリペプチドが、BoNT/A、BoNT/B、BoNT/C1、BoNT/D、BoNT/E、BoNT/F、BoNT/G、BoNT/H、TeNT又はこれらのサブタイプである、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記基質が、VAMP/シナプトブレビン、SNAP−25又はシンタキシンである、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記細胞が、初代神経細胞、神経芽腫細胞、P19細胞など神経細胞に分化することができる腫瘍細胞又は人工多能性幹細胞(IPS)由来のニューロンからなる群から選択される、神経細胞又は神経分化細胞である、請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。
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