JP5796860B2 - 架橋マトリックスの特性を調節するための酵素的架橋剤の改変 - Google Patents
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Description
酵素架橋マトリックスは、食品産業、化粧品産業、および医療産業において、様々な用途に利用されている。酵素架橋ヒドロゲルは、特に医療用途において、組織シーラント、組織接着剤、止血製剤、組織工学用マトリックス、薬物送達プラットフォームなどの様々な医療用途に広く利用されている。ゼラチンやポロキサマーなどのヒドロゲルのいくつかは、特定の条件下(たとえば温度変化など)においてポリマー鎖同士が物理的に相互作用することによって形成され得るが、一方、ポリマー溶液のヒドロゲルが形成されるには架橋を必要とすることが多い。埋め込み可能なヒドロゲルにおいては、固体ゲルが実際に形成されることに加えて、このゲルを使用する組織で一般的に見られる状態、たとえば、力学的ストレス、体温上昇、酵素的分解、化学的分解などに対する抵抗性が必要とされる。このように、多くの場合において、ヒドロゲルマトリックスの架橋が必要とされる。架橋は、ヒドロゲルをプレキャストまたは成型することによって体外で行ってもよい。この架橋方法は、主に、組織工学または薬物送達においてヒドロゲルを使用する場合に用いられる。あるいは、架橋を体内で行ってもよく(in situゲル化またはin situ架橋)、所望の部位に注入または塗布した溶液を架橋させてゲルを形成させる。
架橋マトリックスであって、
改変酵素分子により架橋される基質ポリマーを含み、
改変酵素分子が、基質ポリマーの架橋によってマトリックスが形成されるのに伴い、架橋マトリックス内における酵素分子の感知体積が変化するように改変されたものであることを特徴とする、架橋マトリックスが提供される。
マトリックスの形成を調節する方法であって、
マトリックスが形成されるのに伴い、架橋マトリックス内における酵素分子の感知体積が変化するように酵素分子を改変すること;
改変した酵素分子と、改変した酵素分子の基質である少なくとも1種の基質ポリマーとを混合すること;および
改変した酵素分子で該少なくとも1種の基質ポリマーを架橋して、その形成の少なくとも一部が酵素分子の改変によって調節されたマトリックスを形成すること
を含む方法が提供される。上記改変によって、上記少なくとも1種の基質ポリマーの架橋度が増加するのに伴い、上記改変酵素分子による架橋の速度が低下してもよい。上記改変酵素分子と上記少なくとも1種の基質ポリマーとを溶液中で混合すると、上記の改変によって、溶液の粘度が増加するのに伴い、上記少なくとも1種の基質ポリマーの架橋度が調節されてもよい。上記改変は、pH7〜9において上記酵素をPEG化することを含んでもよい。このPEG化反応は、pH7.5〜8.5で行われてもよい。
組成物を改変する方法であって、
架橋可能な官能基を有する改変酵素と、改変酵素によって架橋可能な少なくとも1種の部分を有するタンパク質とを提供すること;および
改変酵素とタンパク質を混合して、改変酵素によりタンパク質を架橋し、かつタンパク質により改変酵素自体を架橋可能な官能基において架橋すること
を含む方法が提供される。
1)上記の酵素によって元より架橋可能な基質残基を有する任意のポリマー、および自体が上記の酵素によって元より架橋可能である任意のポリマー。たとえば、トランスグルタミナーゼを用いる場合、このようなポリマーとして、上記の酵素によって元より架橋可能な、ゼラチン、コラーゲン、およびカゼインなどのタンパク質またはポリペプチドが挙げられる。
2)上記の酵素によって架橋可能な基質残基を含むが、自体の構造によってそのままでは上記の酵素により架橋できないポリマー。この場合、酵素で架橋する前にポリマー構造を改変しなければならない。たとえば、トランスグルタミナーゼを用いる場合、このようなポリマーとして、酵素の結合を妨げる球状構造を有するために上記の酵素の天然基質ではない、アルブミン、ラクトグロブリンなどのタンパク質が挙げられる。これらのタンパク質は、還元剤、変性剤、または熱を用いて部分的に変性することによって、基質へと変換することができる。
3)酵素架橋のための基質ポリマーではないが、上記の酵素の基質であるペプチドまたは官能基で改変することによって、上記の酵素で架橋可能となる天然または合成のポリマー。
架橋マトリックス内の架橋化酵素による触媒反応の速度の調節は、酵素含有ポリマー溶液の粘度および部分的に架橋した溶液の架橋密度(反応基の利用可能度)のほかに、架橋化酵素分子の感知体積を調節することにより達成できることが見出された。
架橋マトリックスにおける酵素分子の移動を低下させる方法として、酵素分子の有効サイズを増加させることが好ましい。これは、酵素分子の分子量(MW)、流体力学的体積、またはMWと流体力学的体積のいずれもを増加させることによって達成することができる。この方法は、架橋マトリックスの構成成分に影響を与えないと考えられる点で好ましい。
1.酵素同士を架橋(分子間架橋)させて可溶性マルチユニットコンジュゲートを形成させる方法。この例のひとつが、下記の実施例18に記載されている。
2.酵素を担体に共有結合(固定化)させる方法。
I.可溶性タンパク質(たとえば、アルブミン)への固定化;(Allen TMら, 1985, JPET 234: 250-254, alpha-Glucosidase-albumin conjugates: effect of chronic administration in mice)。
II.可溶性ポリマーへの固定化。ポリマー担体が酵素よりも大きく、1つ以上の酵素分子が、それぞれのポリマー分子に固定化されることが好ましい。1つの酵素分子を、2つ以上の付着部位を介して2つ以上のポリマー分子に結合させることも可能である。担体は天然、合成、または半合成であってもよい。このような方法の多くは、酵素のインビボ安定性の増加または免疫原性の低下のために開発された。このようなポリマーのファミリーのうちのひとつとしてセルロースエーテルが挙げられ、これには、たとえば、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロースなどが挙げられるが、これらに限定されない。このような固定化は、トリプシン(Villaongaら, 2000, Journal of Molecular Catalysis B: 10, 483-490 Enzymatic Preparation and functional properties of trypsin modified by carboxymethylcellulose)およびリゾチーム(Chen SHら, 2003, Enzyme and Microbial Technology 33, 643-649, Reversible immobilization of lysozyme via coupling to reversibly soluble polymer)などの酵素を用いて過去に行われているが、酵素架橋ヒドロゲルまたはマトリックスの力学的特性に変化を与えるためにこのような酵素固定化が用いられたことは過去にはない。
III.グリコサミノグリカン(GAG)への結合。グリコサミノグリカンとしては、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、ケラタン硫酸、ヘパリン、ヘパラン硫酸、およびヒアルロン酸が挙げられるが、これらに限定されない。上記のように、このような結合は、過去に行われているが(Luchter-Wasylewska Eら, 1991, Biotechnology and applied biochemistry 13: 36-47, Stabilization of human prostatic acid phosphatase by coupling with chondroitin sulfate)、酵素架橋ヒドロゲルまたはマトリックスの力学的特性に変化を与えるのに用いられたことはない。
IV.酵素は多糖類に結合させることもできる。多糖類としては、たとえば、デキストラン、およびヒドロキシエチルデンプンなどのデンプン誘導体などが挙げられる。この例のひとつは、酸化デキストランに酵素を結合させた実施例13に記載されている。
3.共有結合性改変によって1つの酵素分子に1つ以上の部分を付加する方法。必ずしもそうではないが、これらの部分は酵素よりも小さいことが多い。このような改変の例のひとつとして、架橋化酵素のPEG化が挙げられ、下記の複数の実施例に広く記載されている。
4.他の種類の共有結合。たとえば、酵素の表面にビオチン分子をグラフト化(ビオチン化)し、このビオチン化した酵素を、アビジンもしくはストレプトアビジンを含有する分子またはポリマー上に固定化して行う。担体は、架橋反応前または架橋反応中に架橋化酵素を捕捉する機能を有する架橋不能な可溶性ポリマーであってもよい。あるいは、架橋可能なポリマー自体に捕捉群(たとえば、アビジンまたはストレプトアビジン)をグラフト化し、その結果、架橋可能なポリマーの架橋反応中に架橋化酵素が徐々に固定化されるようにしてもよい。
5.担体またはポリマーに酵素を非共有結合させる方法。たとえば、酵素の正味の電荷が担体の正味の電荷と反対の符号に帯電している場合、酵素と担体またはポリマーとの間の静電気的相互作用によって安定な非共有結合性結合が形成される。
酵素のサイズの増加については過去に数回にわたり開示されているが、酵素架橋マトリックスまたはヒドロゲルの形成および/またはその形成の調節についてはいままでに考慮されたことはない。サイズの増した酵素による架橋マトリックスにおける架橋反応性が過去に一度も明らかされたことがないように、サイズの増した酵素を架橋マトリックスに使用することは全く新規である。さらに、驚くべきことに、本発明の発明者らは、比色法による酵素活性アッセイを用いて酵素活性を単独で検討することにより、サイズの増した酵素の酵素活性と、ゲル化速度によって示されるこの酵素のヒドロゲル形成における架橋活性とが明らかに異なるものであることを実証した。たとえば、実施例5において、酵素触媒によるゲル化の速度と、比色アッセイを用いて測定した酵素活性値との比較が記載されている。この実施例において記載されているPEG化は、酵素のサイズを増加させるための方法として例示され、なんらこれに限定するものではない。
架橋マトリックスにおいて酵素の移動を低下させる別の実施形態において、酵素は、架橋反応を触媒するのと同時に架橋マトリックス自体への結合反応を起こす。酵素がポリマー溶液中を移動してポリマーを架橋しマトリックスを形成するのに伴い、酵素は徐々にポリマー自体に結合することによりマトリックス内に固定化される。たとえば、ビオチン化酵素は、アビジンまたはストレプトアビジンでコーティングされたポリマーを含む架橋可能なポリマー成分と混合することができる。米国特許第6046024号(Method of producing a fibrin monomer using a biotinylated enzyme and immobilized avidin)には、アビジン修飾アガロースを添加することによって、フィブリノゲン溶液からビオチン化トロンビンを捕捉する方法が記載されている。この方法では、アガロースは可溶性ではないが、米国特許第5026785号(Avidin and streptavidin modified water-soluble polymers such as polyacrylamide, and the use thereof in the construction of soluble multivalent macromolecular conjugates)によって記載されているように、アビジンまたはストレプトアビジンを水溶性ポリマーに結合させることも可能である。トランスグルタミナーゼをビオチン化し、次いで、アビジン処理した表面に吸着させることは、実施可能であることが示されている(Huang XLら, J. Agric. Food Chem., 1995, 43(4), pp 895-901)。あるいは、架橋化酵素をアビジンまたはストレプトアビジンに共有結合させ、得られたコンジュゲートを、ビオチン化ポリマーを含む架橋反応に添加してもよい。ビオチン化されるものは、架橋可能なポリマー自体(たとえば、ゼラチンなど)、または架橋不能なコポリマー(たとえば、デキストランなど)であってもよい。分子量が500,000ダルトン以下のデキストラン−ビオチンコンジュゲートは、供給業者から入手できる。
本発明の別の実施形態において、酵素の移動は、酵素の正味の電荷がポリマー担体の正味の電荷と反対の符号に帯電した、酵素とポリマー担体との間の静電気的相互作用に基づいた可逆性結合によって低減される。酵素は、担体とプレインキュベートしてから架橋反応に添加してもよいし、架橋反応中に担体に結合させてもよい。たとえば、架橋化酵素が中性pHにおいて正に荷電している場合、この架橋化酵素を、負に荷電した担体(たとえば、カルボキシメチルセルロース(CMC))に静電気的に結合させてもよい。酵素をCMCとインキュベートして結合させ、得られた複合体を架橋反応に添加してもよいし、あるいは、酵素とCMCとを別々に添加してもよい。後者の場合、架橋反応中に酵素がCMCに徐々に結合するであろう。架橋可能なポリマーが架橋化酵素と反対の符号の電荷を有する場合、架橋反応中に酵素を架橋可能なポリマーストランド自体に結合させることも可能である。あるいは、架橋可能なポリマーまたは担体の電荷と反対の符号の電荷を酵素が有するように、架橋化酵素の等電点(pI)を変更することもできる。
材料:
活性化PEG:mPEG−グルタレート−NHS 5kDa(SunBright ME−050GS、日油株式会社(日本))。
mTG:
SPセファロースイオン交換クロマトグラフィーを用いてさらに10%精製した味の素アクティバ。活性:0.2Mクエン酸ナトリウム(pH6)において604ユニット/ml。
クエン酸ナトリウム、Hepes、SDS、およびβ−メルカプトエタノールはシグマアルドリッチから入手した。
30%アクリルアミド/Bis 29:1およびBio−Safe Coomassie G−250ステインはバイオ・ラッドから入手した。
分子量マーカーは、Precision Plus Dual Color(バイオ・ラッド)であった。
レーン1:mTG(対照)
レーン2:分子量マーカー(上から下へ順に:250kD、150kD、100kD、75kD、50kD、37kD、25kD)
レーン3:53.3mg/ml活性化PEG;90mMクエン酸Na、pH6;PEGのリシンに対する比率9.15
レーン4:26.6mg/ml活性化PEG;90mMクエン酸Na、pH6;PEGのリシンに対する比率4.59
レーン5:13.3mg/ml活性化PEG;90mMクエン酸Na、pH6;PEGのリシンに対する比率2.30
レーン6:53.3mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH7;PEGのリシンに対する比率9.15
レーン7:26.6mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH7;PEGのリシンに対する比率4.59
レーン8:13.3mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH7;PEGのリシンに対する比率2.30
それぞれの反応物は15U/ml mTGを含有した。
材料:
活性化PEG:mPEG−グルタレート−NHS 5kDa(SunBright ME−050GS、日油株式会社(日本))。
mTG:SPセファロースイオン交換クロマトグラフィーを用いてさらに10%精製した味の素アクティバ。活性:0.2Mクエン酸ナトリウム(pH6)において604ユニット/ml。
クエン酸ナトリウム、Hepes、SDS、およびβ−メルカプトエタノールはシグマアルドリッチから入手した。
30%アクリルアミド/Bis 29:1およびBio−Safe Coomassie G−250ステインはバイオ・ラッドから入手した。
分子量マーカーは、Precision Plus Dual Color(バイオ・ラッド)であった。
レーン1:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH8;反応時間15分
レーン2:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH8;反応時間30分
レーン3:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH8;反応時間60分
レーン4:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH8;反応時間120分
レーン5:分子量マーカー(上から下へ順に:250kD、150kD、100kD、75kD、50kD、37kD、25kD)
レーン6:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH7;反応時間15分
レーン7:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH7;反応時間30分
レーン8:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH7;反応時間60分
レーン9:25mg/ml活性化PEG;100mM Hepes、pH7;反応時間120分
PEG化生成物のサイズおよび分布に対する、PEGとmTGの比率の影響
材料:
活性化PEG:mPEG−グルタレート−NHS 2kDa(SunBright ME−020CS、日油株式会社(日本))。
mTG:SPセファロースイオン交換クロマトグラフィーを用いてさらに10%精製した味の素アクティバ。活性:0.2Mクエン酸ナトリウム(pH6)において604ユニット/ml。
クエン酸ナトリウム、Hepes、SDS、およびβ−メルカプトエタノールはシグマアルドリッチから入手した。
30%アクリルアミド/Bis 29:1およびBio−Safe Coomassie G−250ステインはバイオ・ラッドから入手した。
分子量マーカーは、Precision Plus Dual Color(バイオ・ラッド)であった。
レーン1:分子量マーカー
レーン2:1.75mg/ml PEG−NHS 2kD;PEGのリシンに対する比率0.74
レーン3:3.5mg/ml PEG−NHS 2kD;PEGのリシンに対する比率1.48
レーン4:7mg/ml PEG−NHS 2kD;PEGのリシンに対する比率2.97
レーン5:14mg/ml PEG−NHS 2kD;PEGのリシンに対する比率5.93
レーン6:28mg/ml PEG−NHS 2kD;PEGのリシンに対する比率11.86
レーン7:56mg/ml PEG−NHS 2kD;PEGのリシンに対する比率23.72
材料:
グリシンおよび5%TNBS溶液(ピクリルスルホン酸)はシグマアルドリッチから入手した。
重炭酸ナトリウムはFrutarom(イスラエル)から入手した。
希釈TNBS溶液は、5%TNBSと重炭酸緩衝液(pH8.5)とを1:500の比率で混合することにより調製した。
分光光度計はAnthelie Advanced(Secomam)であった。
%PEG化=100−遊離NH2のパーセンテージ
算出したPEG化mTGの平均MW:38,000+(%PEG化:100×18×5000)
材料:
尿素、クエン酸Na、酢酸Na、および塩化カルシウムはシグマアルドリッチから入手した。
ゼラチン(豚皮、Aタイプ、275ブルーム)はGelitaより入手した。
mTG 0.5mlをゼラチン調製物(25%ゼラチン、3.8M尿素、0.15M CaCl2、0.1M酢酸Na、pH6)1mlと混合し、37℃でインキュベートし、ゲル化時間を記録した。ゲル化時間は、反応チューブを逆さにしても液体が流れ落ちない時間と定義される。
反応物A 15μl 1×非PEG化mTG(15U/ml)+135μlクエン酸緩衝液
反応物B 15μl 1×PEG化mTG+135μlクエン酸緩衝液
反応物C 15μl 2×PEG化mTG+135μlクエン酸緩衝液
反応物D 15μl 4×PEG化mTG+135μlクエン酸緩衝液
反応物A〜Dのそれぞれに反応カクテル1mLを添加し、37℃で10分間または20分間インキュベートした。各時点において、反応物0.23mlをTCA0.5mLと共に試験管に加えた。
240mg CBZ−Glu−Gly(シグマアルドリッチ)
139mg 塩酸ヒドロキシルアミン(シグマアルドリッチ)
61.5mg 還元型グルタチオン(シグマアルドリッチ)
4ml 0.2Mクエン酸Na緩衝液、pH6
20mlになるまで加えた水
結果を下記の表2に示す。
材料:
ゼラチン(豚皮、Aタイプ、275ブルーム)はGelitaより入手した。
30%アクリルアミド/Bis 29:1およびBio−Safe Coomassie G−250ステインはバイオ・ラッドから入手した。
分子量マーカーは、Precision Plus Dual Color(バイオ・ラッド)であった。
レーン1:t=1時間に採取された10μlの試料
レーン2:t=1時間に採取された20μlの試料
レーン3:t=4時間に採取された10μlの試料
レーン4:t=4時間に採取された20μlの試料
レーン5:分子量マーカー
レーン6:7μl mTG+PEG化mTG混合物
レーン7:3μl mTG+PEG化mTG混合物
レーン8:1.5μl mTG+PEG化mTG混合物
異なる濃度(2kDまたは5kD)のPEG−NHSを用いたmTGの大規模なPEG化
活性化PEG:
試薬:
mPEG−グルタリル−NHS、MW 5000(SunBright ME−050GS、日油株式会社(日本))。
mPEG−スクシニル−NHS、MW 2000(SunBright ME−020CS、日油株式会社(日本))。
mTG:SPセファロースイオン交換クロマトグラフィーを用いてさらに10%精製した味の素アクティバ。
30%アクリルアミド/Bis 29:1およびBio−Safe Coomassie G−250ステインはバイオ・ラッドから入手した。
SDSおよびβ−メルカプトエタノールはシグマアルドリッチから入手した。
レーン1:mTG、100%遊離対照
レーン2:架橋ゼラチンゲルから遊離したmTG、1時間時点
レーン3:架橋ゼラチンゲルから遊離したmTG、2時間時点
レーン4:架橋ゼラチンゲルから遊離したmTG、3時間時点
レーン5:架橋ゼラチンゲルから遊離したmTG、18時間時点
レーン6:PEG化mTG(7mg/ml PEG−NHS、5kD)、100%遊離対照
レーン7:ゼラチンゲルから遊離したPEG化mTG(7mg/ml PEG−NHS、5kD)、1時間時点
レーン8:ゼラチンゲルから遊離したPEG化mTG(7mg/ml PEG−NHS、5kD)、2時間時点
レーン9:ゼラチンゲルから遊離したPEG化mTG(7mg/ml PEG−NHS、5kD)、3時間時点
レーン10:ゼラチンゲルから遊離したPEG化mTG(7mg/ml PEG−NHS、5kD)、18時間時点
18時間後にゼラチンゲルから溶出した非PEG化mTG(実施例7を参照)9mlを、ビバスピン20(MWCO 30,000(ザルトリウス))を用いて0.47mlに濃縮した。濃縮した酵素の活性を、実施例5に記載されているのと同様にヒドロキサマートアッセイを用いて測定した。
尿素、クエン酸Na、酢酸Na、および塩化カルシウムはシグマアルドリッチから入手した。
ゼラチン(豚皮、Aタイプ、275ブルーム)はGelitaより入手した。
SPセファロースイオン交換クロマトグラフィーを用いてさらに10%精製した味の素アクティバをmTGとして用いた。活性:0.2Mクエン酸ナトリウム(pH6)において604ユニット/ml。
種々のPEG化度のPEG化mTG(2kDまたは5kDのPEG−NHSを使用)を、実施例7の記載と同様に調製した。
ブタの小腸組織から残留物を取り除き、10cm四方に切断した。各組織片を14ゲージ針で穿刺した。次いで、各組織を生理食塩水中に浸漬し、37℃でインキュベートした。実施例7に記載の方法で調製したシーラント材を塗布する前に、組織を平らにし、ガーゼパッドを用いて各組織の塗布部位の水分を拭き取った。1mLシリンジを用いて、試験シーラント約0.1〜0.2mLを各塗布部位に塗布した。塗布から5分以内に組織を生理食塩水で洗浄し、37℃で4時間インキュベートした。各試験は3回以上繰り返した。
コヴィディエンEEA輪状吻合用外科用ステープラーを用いて、ブタの直腸の輪状吻合を行った。
シーラントは、14日間の埋め込み期間にわたって顕著な分解を起こさなかった。シーラントは、ステープルラインに強く接着しており、ステープルラインの全長にわたって100%完全な状態で維持されていた。シーラント材は、柔軟性および可撓性を有し、輪状ステープルラインの形状および動きに適合した。
SPセファロースを、mTG(微生物トランスグルタミナーゼ)に結合させ、ゲルを作製した。この固定化トランスグルタミナーゼを用いると16〜23分でゲルが形成されたが、可溶性酵素は6分未満でゲルを形成した。したがって、固定化により、ゲル化に必要な時間が延長した。
A:292μlビーズ+308酢酸Na(1.244mg/ml=41U/ml)
B:400μlビーズ+200μl酢酸Na(1.704mg/ml=56.2U/ml)
C:500μlビーズ+100μl酢酸Na(2.13mg/ml=70.3U/ml)
D:550μlビーズ+50μl酢酸Na(2.34mg/ml=77.2U/ml)
ゲル化時間:
A:約23分
B:約21分
C:約20分
D:約16分
対照(結合していないmTG 10U/ml):5.5分
この実験は、可溶性大型分子と結合させることによって酵素を改変することにより、その力学的特性が改変されることを実証している。
デキストラン1グラムを精製水20mlに溶解した。過ヨウ素酸ナトリウム1.3グラムを添加し、反応物をアルミホイルによって光から保護しながら、室温で80分間(9:50〜11:10)撹拌した。
図7は、コンジュゲーション反応物A〜DのSDS−PAGE分析を示す。4〜15%ミニプロティアン TGXゲル(バイオ・ラッド)上に、4.35μg(反応物A)、4.38μg(反応物B)、1.98μg(反応物C)、および3μg(反応物D)のデキストランコンジュゲート化mTGを載せた。それぞれの試料は、0.1%SDSを含有していたが、還元剤は含有しておらず、ゲル上に載せる前に85℃で10分間加熱した。ゲルに一定電圧(200V)をかけて試料を流し、Bio−Safe Coomassie G−250溶液(バイオ・ラッド)でタンパク質バンドを染色することによって可視化した。分子量マーカーはPrecision Plus(バイオ・ラッド)であった。この実施例では、架橋化酵素(この場合、mTG(微生物トランスグルタミナーゼ))を可溶性ポリマー上に固定化できることが示されている。さらに、デキストラン:mTG比においてデキストランの比率が高いと、より多くの遊離mTG分子が、デキストランとの結合により高分子量コンジュゲートに変換された。
この実験では、西洋ワサビペルオキシダーゼ(別の架橋化酵素)をPEG化して改変することにより、ペルオキシダーゼ架橋により形成されるマトリックスを改変できることが実証されている。本発明の別の実施形態において、架橋化酵素は西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)であり、PEG分子をHRP分子に付着させることによってHRPを改変し、これによって、HRP架橋により形成されるゼラチンヒドロゲルの力学的特性を改変することができる。
フェノール修飾ゼラチン(ゼラチン−Ph)の調製:
高分子量ゼラチン(Aタイプ)2グラムを、50mM MES(2−(N−モルホリノ)エタンスルホン酸(シグマアルドリッチ))緩衝液(pH6)100mlに溶解した。この2%w/w溶液に、チラミン(シグマアルドリッチ)0.984グラム、NHS(N−ヒドロキシスクシンイミド(シグマアルドリッチ))0.218グラム、およびEDC(1−エチル−3−[3−ジメチルアミノプロピル]カルボジイミド(シグマアルドリッチ))0.72グラムを添加した。反応物を室温で16時間撹拌し、次いで、蒸留水で十分に透析した。透析物を凍結乾燥し、得られた乾燥物を0.1Mリン酸緩衝液(pH6.0)に溶解して、最終容積が16mlの12.5%w/wゼラチンを得た。
100mM Hepes(pH8.0)中において、2mg/ml HRP I型(シグマ、セントルイス(ミズーリ))と、60mg/ml PEG−NHS 5kDとを2時間反応させ、次いで、110mMグリシンを添加して反応しなかったPEG−NHSをクエンチし、さらに30分間インキュベーションした。PEG化HRPを、25mMリン酸緩衝液(pH6.0)で十分に透析することによって精製した。
ゼラチン成分:ゼラチン−Ph 5ml+20mM H2O2 0.5mlをガラスバイアル中で混合し、このうち4.4mlをシリンジAに移した。
HRP/PEG化HRP成分:0.035mg/ml HRPまたはPEG化HRP 1mlをシリンジBに入れた。
ゼラチン成分と酵素成分とをシリンジからシリンジへと往復させて混合し、次いで、上下反転させながら37℃でインキュベートしゲル化時間を決定した。
混合後、ゼラチンおよび酵素の混合物は3分以内にゲルを形成した。HRPタンパク質およびPEG化HRPタンパク質のSDS−PAGE分析を図8に示す。HRPおよびPEG化HRP(各20μg)を4〜15%ミニプロティアンTGXゲル(バイオ・ラッド)上に載せた。それぞれの試料は0.1%SDSを含有していたが、還元剤は含有しておらず、ゲル上に載せる前に85℃で10分間加熱した。ゲルに一定電圧(200V)をかけて試料を流し、Bio−Safe Coomassie G−250溶液(バイオ・ラッド)でタンパク質バンドを染色することによって可視化した。分子量マーカーはPrecision Plus(バイオ・ラッド)であった。
異なるPEG化度を有する架橋化酵素により、異なる力学的特性がもたらされた。この実施例においては、流体力学的体積(この場合、PEG化度)を調節することによって、酵素的に架橋されたヒドロゲルの力学的特性がどのように特異的に調節され得るかが実証されており、流体力学的体積が大きい(すなわち、PEG化度が高い)場合、弾性の高いマトリックスが形成され、流体力学的体積が小さい(すなわち、PEG化度が低い)場合、弾性の低いマトリックスが形成される。当然のことながら、流体力学的体積が改変されていない(すなわち、PEG化なし)場合は、最も弾性の低いマトリックスが形成される。インストロン社製試験器によるデータおよびSDS−Pageゲルによるデータを、これらの効果に関して以下に記載する。
3種のPEG化反応を並列に実施した。反応は、PEG−NHS 5Kを用い、100mM HEPES(pH8.0)中において、室温で2.5時間行った。反応後、反応しなかった余分なPEGを110mMグリシンで中和し、さらに30分間インキュベーションを続けた。
対照として、インストロン社製試験器によるゲルの力学的特性に関する結果を、遊離PEGを用いてまたは用いずに評価した。「遊離」とは、PEG分子が、架橋化酵素と共に溶液中に存在するが、酵素には共有結合されていないことを意味する。実験結果より、遊離PEGを用いても、PEGが架橋化酵素に共有結合すること(すなわち、PEGによる酵素自体の改変)によってもたらされる力学的特性の改変は見られなかったことが示された。
20%PEG6000を含むまたは含まないゼラチン溶液(酢酸ナトリウム緩衝液中の25%ゼラチンおよび4.5M尿素)のそれぞれのアリコート4mlと、15U/ml mTGのアリコート2mlとを混合した。それぞれから得られた溶液2mlを、実施例9の記載と同様に、イヌ用の骨の形をした型へ流し込んだ。実施例9の記載と同様に、得られたゲルを型から取り出し、生理食塩水中で37℃、2時間インキュベートし、次いで、引張試験を行った。
非改変酵素と改変酵素との種々の混合物を試験した。特定の割合で混合することにより、種々の異なる力学的特性を有するように改変することができる。
20%PEG6000を含むまたは含まないゼラチン溶液(25%ゼラチン、4.5M尿素、酢酸ナトリウム緩衝液)のそれぞれのアリコート4mlと、非PEG化mTGを加えたまたは加えていない55U/ml PEG化mTG 2mlと混合した。それぞれから得られた溶液2mlを、実施例9の記載と同様に、イヌ用の骨の形をした型へ流し込んだ。実施例9の記載と同様に、得られたゲルを型から取り出し、生理食塩水中で37℃、24時間インキュベートし、次いで、引張試験を行った。
この実験では、二官能基型PEGブリッジによって酵素同士を架橋できることが実証された。この実施例では、2個以上の酵素分子を互いに結合させて、酵素凝集体全体の流体力学的体積を増加させることができる。これを達成する方法のひとつとして、酵素分子間にブリッジを形成することのできる二官能基型分子を用いることが挙げられる。
100mM Hepes(pH8)中において、mTG(15U/ml、0.5mg/ml)と、種々の濃度の二官能基型PEG−NHS(10kD)とを、室温で2時間インキュベートした。次いで、110mMグリシンを30分を上回る時間をかけて添加し、反応しなかった余分なPEGを中和した。具体的な条件を以下の表12に示す。
図10のSDS−PAGE結果により、相対的に低いPEG:mTG比において、mTGのいくらかは、類似の濃度の一官能基型PEG(5kD)を含む反応において得られるPEG化生成物よりも大きな、非常に高い分子量の生成物に変換されたことが示されている。これにより、この高分子量生成物が、二官能基型PEGブリッジによって互いに架橋された酵素分子のマルチマーからなること、および、二官能基型PEGの使用は、架橋化酵素分子同士を結合させることによって架橋化酵素分子を改変する効果を有することが実証されている。
PEG化mTG(PEG−NHS−5kDで改変した微生物トランスグルタミナーゼ酵素)の3種のバッチを、MALDI−TOF質量分析法によって分析した。図11は、これらのうちの1バッチのm/zスペクトルを示す。
無傷の分子の質量測定を、遅延イオン抽出、反射器、および337nmの窒素レーザーを用いたBruker Reflex IIIマトリックス支援レーザー脱離/イオン化(MALDI)飛行時間型(TOF)質量分析装置(Bruker、ブレーメン(ドイツ))で実施した。各質量スペクトルは、レーザーを200回照射した累積データから作成した。タンパク質に対する外部較正は、BSAおよびミオグロビンタンパク質(シグマ、セントルイス(ミズーリ))を用いて行った。
2,5−ジヒドロキシ安息香酸(DHB)マトリックス剤と、0.1%トリフルオロ酢酸(TFA)−アセトニトリル(ACN)とを2:1の割合で混合したもの0.5Lを、ギ酸/イソプロパノール/H20(1:3:2)に溶解した試料溶液0.5Lとターゲット上で混合し、空気乾燥させた。溶媒が蒸発した後、試料を0.1%TFAで1〜3回再洗浄した。
この実施例により、反応物の総濃度がPEG化度に大きな影響を与えることが実証されている。PEG:アミン比を固定した場合、反応物(PEGおよびmTG)の濃度とPEG化度とに相関性があることが実証された。
100mM Hepes(pH8.0)中において、PEG−NHS−5kDを用いたmTGのPEG化を室温で2.5時間かけて行い、次いで、110mMグリシンを添加して反応しなかったPEG−NHSを中和した。反応後、各反応組成の酵素5μgを、6.0%ポリアクリルアミドゲル上に載せ、SDS−PAGE分析に供した。それぞれの試料は、0.1%SDSを含有していたが、還元剤は含有しておらず、ゲル上に載せる前に85℃で10分間加熱した。ゲルに一定電圧(200V)をかけて試料を流し、Bio−Safe Coomassie G−250溶液(バイオ・ラッド)でタンパク質バンドを染色することによって可視化した。分子量マーカーはPrecision Plus(バイオ・ラッド)であった。
図12に示したSDS−PAGEレーンより、PEG化mTG分子が得られたことが確認できる。画像に示されているように、PEG:アミン比を固定した場合でも、反応物の濃度が高いほど、PEG化度の高い生成物が得られた。
Claims (28)
- 改変酵素分子を含む架橋マトリックスであって、
改変酵素分子により架橋される基質ポリマーを含み、
改変酵素分子が、基質ポリマーの架橋によってマトリックスが形成されるのに伴い架橋マトリックス内における酵素分子の感知体積が変化するように改変されたものであることを特徴とする、架橋マトリックス。 - 前記改変酵素分子が、
a)前記改変酵素分子の実際のサイズが増加するように改変されたもの、
b)前記改変酵素分子の流体力学的体積が増加するように改変されたもの、または
c)改変していない酵素と比較して前記改変酵素の等電点を変化させることにより、前記改変酵素分子の静電荷が前記基質ポリマーの正味の電荷と反対の符号の電荷となるように改変されたもの
であることを特徴とする、請求項1に記載のマトリックス。 - 前記改変が、スクシニル化、アセチル化、カルバミル化、還元的アルキル化、および無水マレイン酸処理からなる群から選択される方法による前記酵素のリシンのε−アミノ基における改変、または負の荷電量を減少させるための前記酵素の1つ以上のカルボン酸含有側鎖における改変であることを特徴とする、請求項2に記載のマトリックス。
- 前記改変が、少なくとも1つの分子または部分を前記改変酵素分子に共有結合または非共有結合させることを含む、請求項2または3に記載のマトリックス。
- 前記改変が、改変作用を有する分子を前記改変酵素分子に共有結合させることを含む、請求項4に記載のマトリックス。
- 前記改変作用を有する分子が担体またはポリマーを含むことを特徴とする、請求項5に記載のマトリックス。
- 前記ポリマーが、合成ポリマー、セルロースポリマー、タンパク質、または多糖を含むことを特徴とする、請求項6に記載のマトリックス。
- a)前記セルロースポリマーが、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、およびメチルセルロースのうちの1種以上を含むこと、
b)前記多糖が、デキストラン、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、ケラタン硫酸、ヘパリン、ヘパラン硫酸、ヒアルロン酸、およびデンプン誘導体のうちの1種以上を含むこと、または
c)前記改変作用を有する分子が、ポリエチレングリコール(PEG)を含むこと
を特徴とする、請求項7に記載のマトリックス。 - 前記PEGが活性化PEGを含み、
該活性化PEGが、メトキシPEG(mPEG)、mPEG−NHS、mPEGのスクシンイミジルエステル、mPEG−グルタレート−NHS、mPEG−バレラート−NHS、mPEG−カルボナート−NHS、mPEG−カルボキシメチル−NHS、mPEG−プロピオナート−NHS、mPEG−カルボキシペンチル−NHS、mPEG−ニトロフェニルカルボナート、mPEG−プロピルアルデヒド、mPEG−トシラート、mPEG−カルボニルイミダゾール、mPEG−イソシアネート、mPEG−エポキシド、およびこれらの組み合わせのうちの1種以上を含むことを特徴とする、請求項8に記載のマトリックス。 - a)前記活性化PEGが、前記酵素のアミン基もしくはチオール基と反応すること、
b)前記活性化された酵素のリシン残基に対する前記活性化PEGのモル比が、0.5〜25の範囲であること、
c)前記活性化PEGが、一官能基型、ヘテロ二官能基型、ホモ二官能基型、もしくは多官能基型であること、
d)前記活性化PEGが、分岐PEGもしくはマルチアームPEGであること、および/または
e)前記活性化PEGが、1000ダルトン〜40,000ダルトンの範囲のサイズであること
を特徴とする、請求項9に記載のマトリックス。 - 前記酵素および前記基質ポリマーのいずれにも共有結合していないコポリマーをさらに含む、請求項1〜10のいずれかに記載のマトリックス。
- 前記コポリマーが、多糖またはセルロースポリマーを含むことを特徴とする、請求項11に記載のマトリックス。
- a)前記多糖が、デキストラン、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、ケラタン硫酸、ヘパリン、ヘパラン硫酸、ヒアルロン酸、もしくはデンプンを含むこと、または
b)前記セルロースポリマーが、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、もしくはメチルセルロースを含むこと
を特徴とする、請求項12に記載のマトリックス。 - 前記改変酵素分子が、前記改変酵素分子と複数の他の酵素分子とを架橋させることによって複数の架橋化酵素分子凝集体が形成されるように改変されたものであることを特徴とする、請求項1〜13のいずれかに記載のマトリックス。
- マトリックスの形成を調節する方法であって、
マトリックスが形成されるのに伴い架橋マトリックス内における酵素分子の感知体積が変化するように酵素分子を改変すること;
改変した酵素分子と、改変した酵素分子の基質である少なくとも1種の基質ポリマーとを混合すること;および
改変した酵素分子による該少なくとも1種の基質ポリマーの架橋によってマトリックスを形成させることを含み、
このマトリックス形成の少なくとも一部が酵素分子の改変によって調節されることを特徴とする方法。 - a)前記改変酵素分子と前記少なくとも1種の基質ポリマーとを溶液中で混合すること、および/または
b)前記改変が、pH7〜9において前記酵素をPEG化することを含むこと
を特徴とする、請求項15に記載の方法。 - a)前記基質ポリマーが、元より架橋可能なポリマー、前記改変酵素により架橋可能な部分変性ポリマー、および前記改変酵素により架橋可能な官能基もしくはペプチドを含む改変ポリマーからなる群から選択される基質ポリマーを含むこと、
b)前記基質ポリマーが、ゼラチン、コラーゲン、カゼイン、アルブミン、もしくは改変ポリマーを含み、前記改変酵素分子が、改変トランスグルタミナーゼおよび/もしくは改変酸化酵素を含むこと、ならびに/または
c)前記ゼラチンが、動物組織もしくは動物組織から得られるコラーゲンを部分的に加水分解することによって得られるゼラチン;細菌系、酵母系、動物系、昆虫系、植物系、もしくは任意の種類の細胞培養を用いて産生される組換えゼラチン;およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、該動物組織が、動物の皮、結合組織、枝角、角、骨、および魚鱗からなる群から選択されること
を特徴とする、請求項1〜14のいずれかに記載のマトリックス。 - a)前記少なくとも1種の基質ポリマーが、元より架橋可能なポリマー、前記改変酵素により架橋可能な部分変性ポリマー、および前記改変酵素により架橋可能な官能基もしくはペプチドを含む改変ポリマーからなる群から選択される基質ポリマーを含むこと、
b)前記少なくとも1種の基質ポリマーが、ゼラチン、コラーゲン、カゼイン、アルブミン、もしくは改変ポリマーを含み、前記改変酵素分子が、改変トランスグルタミナーゼおよび/もしくは改変酸化酵素を含むこと、ならびに/または
c)前記ゼラチンが、動物組織もしくは動物組織から得られるコラーゲンを部分的に加水分解することによって得られるゼラチン;細菌系、酵母系、動物系、昆虫系、植物系、もしくは任意の種類の細胞培養を用いて産生される組換えゼラチン;およびこれらの組み合わせからなる群から選択され、該動物組織が、動物の皮、結合組織、枝角、角、骨、および魚鱗からなる群から選択されること
を特徴とする、請求項15〜16のいずれかに記載の方法。 - a)前記改変トランスグルタミナーゼが、改変された微生物トランスグルタミナーゼを含むこと、ならびに
b)前記改変酸化酵素が、チロシナーゼ、ラッカーゼ、およびペルオキシダーゼのうちの1種以上を含むこと
を特徴とする、請求項17に記載のマトリックス。 - a)前記改変トランスグルタミナーゼが、改変された微生物トランスグルタミナーゼを含むこと、ならびに
b)前記改変酸化酵素が、チロシナーゼ、ラッカーゼ、およびペルオキシダーゼのうちの1種以上を含むこと
を特徴とする、請求項18に記載の方法。 - 前記酵素分子をPEG化により改変し、このPEG化によって、マトリックスが使用される宿主動物の免疫系から前記酵素分子がマスクされ、その免疫原性がマスクされることを特徴とする、請求項1〜14、17及び19のいずれかに記載のマトリックス。
- 前記酵素分子をPEG化により改変し、このPEG化によって、マトリックスが使用される宿主動物の免疫系から前記酵素分子がマスクされ、その免疫原性がマスクされることを特徴とする、請求項15〜16、18及び20のいずれかに記載の方法。
- 請求項1〜14、17、19及び21のいずれかに記載のマトリックスを含む、止血剤または外科用シーラント。
- 請求項1〜14、17、19及び21のいずれかに記載のマトリックスを含む、創傷を密封するための組成物。
- 組織における縫合線またはステープルラインを密封するための、請求項24に記載の組成物の使用(ただし、ヒトを除く)。
- 請求項1〜14、17、19及び21のいずれかに記載のマトリックスを含む、局所的薬物送達用のビヒクルのための組成物。
- 注入可能な足場として適した請求項1〜14、17、19及び21のいずれかに記載のマトリックスを含む、組織工学のための組成物。
- 組成物を改変する方法であって、
架橋可能な官能基を有する改変酵素と、該改変酵素によって架橋可能な少なくとも1種の部分を有するタンパク質とを提供すること;および
該改変酵素と該タンパク質とを混合することを含み、
該改変酵素により該タンパク質を架橋し、かつ該架橋可能な官能基を介して該改変酵素を該タンパク質に架橋することを特徴とする方法。
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