KR100344703B1 - Method for preparation of diphtheria toxin and toxoid - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도의 디프테리아 톡신 및 톡소이드의 대량 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 디프테리아의 배양조건 최적화를 통하여 고순도의 톡신을 대량으로 제조하고, 이러한 디프테리아 톡신을 이중여과 및 이온교환 크로마토그래피를 통하여 정제한 후 무독화하여 안정한 고순도의 톡소이드를 제조하는 방법에 관한 것이며, 본 발명의 방법은 안전성이 개선된 고순도의 디프테리아 백신의 제조에 유용하게 이용될 수 있다.The present invention relates to a method for mass-producing high-purity diphtheria toxins and toxoids. Specifically, high-purity toxins are produced in large quantities by optimizing the culture conditions of diphtheria, and such diphtheria toxins are purified through double filtration and ion exchange chromatography. The present invention relates to a method for producing a stable high purity toxoid by detoxification, and the method of the present invention can be usefully used for preparing a high purity diphtheria vaccine having improved safety.

Description

디프테리아 톡신 및 톡소이드의 제조방법{Method for preparation of diphtheria toxin and toxoid}Method for preparation of diphtheria toxin and toxoid

본 발명은 고순도의 디프테리아 톡신 및 톡소이드의 대량 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 디프테리아의 배양조건 최적화를 통하여 고순도의 톡신을 대량으로 제조하고, 이러한 디프테리아 톡신을 이중 한외여과 및 이온교환 크로마토그래피를 통하여 정제한 후 무독화하여 안정한 고순도의 톡소이드를 제조하는 방법에 관한 것이며, 본 발명의 방법은 안전성이 개선된 고순도의 디프테리아 백신의 제조에 유용하게 이용될 수 있다.The present invention relates to a method for mass-producing high-purity diphtheria toxins and toxoids. Specifically, high-purity toxins are produced in large quantities by optimizing the culture conditions of diphtheria, and such diphtheria toxins are subjected to double ultrafiltration and ion exchange chromatography. The present invention relates to a method for preparing a stable high purity toxoid by purification after detoxification, and the method of the present invention can be usefully used for preparing a high purity diphtheria vaccine having improved safety.

디프테리아는 그람 양성 간균인 코리네박테리움 디프테리아에 의해 발생되는 세균성 호흡기 질병이다. 오래 전부터 이 질병에 대한 능동면역의 방법으로 C. 디프테리아가 생산하는 엑소-톡신(exo-toxin)을 불활성화시킨 톡소이드 백신을 사용하여 왔으며 디프테리아 톡신을 보다 효율적으로 얻기 위한 배지의 개발과 배양방법에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다.Diphtheria is a bacterial respiratory disease caused by the Gram-positive bacillus Corynebacterium diphtheria. As a method of active immunity against this disease for a long time, a toxoid vaccine inactivated exo-toxin produced by C. diphtheria has been used, and a medium for developing and culturing medium for obtaining diphtheria toxin more efficiently is used. Many studies have been conducted.

일반적으로 디프테리아 톡신을 대량 생산하기 위해서는 소 근육(beef muscle)을 효소로 가수분해시킨 것이 가장 적합한 배지로 알려져 있다. 즉 이 배지를 이용한 48시간 배양에서 200 Lf(Limit of Flocculation)이상의 톡신생산이 가능한 것으로 보고되어 있으나 값이 비싸고 소-민감성 항원(beef-sensitizing antigen)이 함유되어 있는 치명적인 약점이 있다. 반면 카제인(casein)을 효소로 가수분해시킨 것을 배지로 이용할 경우에는 불순물이 항원으로 작용하는 위험이 없으며 톡신의 대량 생산에도 적합하므로 디프테리아 톡신생산 배지로서 많은 연구가 되고 있다.In general, in order to mass-produce diphtheria toxin, it is known that hydrolyzing bovine muscle with enzyme is the most suitable medium. That is, it is reported that toxin production of 200 Lf (Limit of Flocculation) or more can be produced in 48 hours of culture using this medium, but there is a fatal weakness that is expensive and contains a bee-sensitizing antigen. On the other hand, when a casein is hydrolyzed by an enzyme as a medium, there is no risk of impurities acting as an antigen, and it is suitable for mass production of toxins.

또한 스테이너는 카제인이 갖고 있지 않은 무기 인산염(inorganic phosphate)을 첨가해주고 CaCl2를 투여하여 배지에 칼슘-인산염 침전을 생성시킬 경우 높은 농도의 톡신생성이 가능하다고 보고하였다(Stainer D. W.,Can. J. Microbiol. 13, 1967, 963-968). 이는 C. 디프테리아가 철(iron)이 배지에서 고갈되었을 때 디프테리아 톡신을 분비하는 것으로 알려져 있으므로, 배지에서 칼슘-인삼염 침전이 일어날 때 침전물 내에 철이 고정되어 있다가 배양기간 동안 서서히 방출되어 배지 내에 철 이온의 농도가 배양기간 내내 적정하게 유지될 수 있도록 함으로써 높은 농도의 톡신 생산이 가능하게 된 것이다.Steiner also reported that high concentrations of toxins could be produced by the addition of casein-free inorganic phosphates and CaCl 2 to produce calcium-phosphate precipitates in the medium (Stainer DW, Can. J. Microbiol . 13, 1967, 963-968). Since C. diphtheria is known to secrete diphtheria toxin when iron is depleted in the medium, iron is fixed in the precipitate when calcium-phosphate precipitation occurs in the medium, and then it is released slowly during the incubation period and iron in the medium. By allowing the concentration of ions to be properly maintained throughout the incubation period, it is possible to produce high concentrations of toxins.

C. 디프테리아의 배양배지를 위한 탄소원으로는 일반적으로 말토스가 이용되는데, 이는 탄소원에 의한 성장 제한조건이 오랫동안 유지되도록 해주어서 톡신의 생성기간을 연장시키기 때문이다. 따라서 말토스가 글루코스보다 톡신생산에 유리하다. 이처럼 탄소원에 의한 성장 제한조건은 높은 수율의 톡신 생산에 중요한 요인이 되며, 실제로 리겔라토 등은 글루코스 제한조건의 성장에서는 톡신 생성량이 0.3 톡신/박테리아 단백질(g/g)로서 글루코스 과다조건에서 보다 톡신 생성량이 5배 증가하였다고 보고하였다(Righelato R. C.,Gen Microbiol.58, 1965, 403-410).Maltose is generally used as a carbon source for the culture medium of C. diphtheria because it prolongs the toxin production period by allowing growth constraints by the carbon source to be maintained for a long time. Therefore, maltose is more advantageous for toxin production than glucose. As such, growth restriction by carbon source is an important factor in the production of high yield of toxin, and in fact, Rigelato et al. Shows that toxin production is 0.3 toxin / bacterial protein (g / g) in the growth of glucose restriction conditions, which is more toxin than in glucose excess condition. The production was reported to increase fivefold (Righelato RC, Gen Microbiol. 58, 1965, 403-410).

C. 디프테리아의 배양기간 중에 pH는 생성되는 대사산물과 통기조건에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다. 배지 내에 존재하는 말토스는 글루코스로 분해되어 대사과정에 의해 프로피온산(propionic acid), 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid) 등의 유기산으로 전환되기 때문에 pH는 배양초기에 떨어지고 그 유기산이 카본산(carbonic acid)과 물로 전환되는 산화적 대사과정에 의해 pH는 다시 증가한다. 또한 배양 중에 pH 값은 배지 내 산소전달속도의 변화에 민감히 반응하며 산소공급이 과잉일 경우 pH도 같이 증가하여 톡신의 생성 수율이 낮아진다.During the incubation period of C. diphtheria, pH is known to be determined by the metabolites and aeration conditions. Maltose present in the medium is broken down into glucose and converted into organic acids such as propionic acid, formic acid and acetic acid by metabolism, so the pH drops at the beginning of the culture and the organic acid is carboxylic acid. The pH is increased again by oxidative metabolism which converts carbonic acid and water. In addition, the pH value during the culture is sensitive to the change in the rate of oxygen transfer in the medium, and when the oxygen supply is excessive, the pH is also increased to lower the yield of toxin production.

디프테리아 톡신은 일반적으로 배양병을 이용한 정치배양과 발효조를 이용한 생산이 모두 가능하다. 정치배양의 장점은 간단하고 장비구입이 저렴하다는 것이며 룩스병(Roux bottle)에서 약 7일간 배양하면 50~100 Lf/mL의 톡신을 얻을 수 있다. 그러나 농도와 순도가 높은 톡신을 생산하기 위해서는 발효조에 의한 생산이 필수적이며, 이 경우 150~300 Lf/mL의 톡신을 48시간 내에 생산할 수 있다. 그러나 현재까지 국내에서 아직도 정치배양을 통해 디프테리아 톡신을 생산하고 있는 실정이다.Diphtheria toxin can generally be produced in both culture and fermenters using culture bottles. The advantage of the political culture is that it is simple and inexpensive to purchase, and incubation in a Roux bottle for about 7 days yields a toxin of 50-100 Lf / mL. However, in order to produce high concentration and purity of toxin, the production by fermenter is essential. In this case, 150 to 300 Lf / mL of toxin can be produced within 48 hours. However, until now, domestic production of diphtheria toxin is still under way.

디프테리아 백신은 디프테리아 톡신을 무독화한 톡소이드를 이용하는데, 이때 디프테리아 백신의 품질은 디프테리아 톡소이드의 순도와 밀접한 관계가 있다. 이는 순도가 높을수록 부작용의 원인이 되는 이종 단백질이 적게 포함되어 있기 때문이다.Diphtheria vaccines use a toxoid detoxified diphtheria toxin, where the quality of the diphtheria vaccine is closely related to the purity of the diphtheria toxoid. This is because higher purity contains fewer heterologous proteins that cause side effects.

이러한 톡소이드의 순도는 정제 방법에 의해 결정되며, 정제 방법에는 톡신을 무독화한 후 톡소이드를 정제하는 방법(이하 '톡소이드정제'라 함)과 톡신을 정제한 후 무독화하여 톡소이드화 시키는 방법(이하 '톡신정제'라 함)이 있다. 현재 디프테리아 백신 제조에는 위의 두 가지 정제 방법 모두가 사용되고 있으며 각각의정제 방법에는 장점과 단점이 있다.Purity of such toxoid is determined by a purification method, and in the purification method, detoxification of toxin and purification of toxoid (hereinafter referred to as 'toxoid purification') and purification of toxin and detoxification by detoxification (hereinafter referred to as Called toxin tablets). Currently, both of the above purification methods are used to manufacture diphtheria vaccine, and each purification method has advantages and disadvantages.

톡소이드정제의 장점은 톡신으로 복귀하지 않는다는 것이다. 그러나 이러한 방법으로 정제한 톡소이드는 순도가 낮다. 그 이유는 배지 성분에 함유되어 있는 조톡신(crude-toxin)에 무독화를 위하여 포름알데하이드가 첨가되면 톡신과 배지 유래의 아미노산 및 펩타이드사이에 메틸 가교(methyl bridge)가 형성되어 수많은 배지 성분의 펩타이드가 톡신에 붙어 톡소이드가 되기 때문이다. 순도가 낮은 톡소이드는 배지 성분으로 인해 부작용을 유발할 수 있다. 즉 배지 성분으로 소의 육질(beef meat)이 사용될 경우 톡소이드는 소로부터 유래한 수많은 펩타이드와 결합하게 되고 이러한 소 유래 펩타이드는 톡소이드에 공유 결합되어 항원으로 작용하여 부작용을 유발할 수 있다. 특히 소 항원에 계속 노출되어 온 성인들의 경우에는 소아에 비하여 더 많은 부작용을 유발할 수 있다.The advantage of toxoid tablets is that they do not return to toxin. However, the toxoid purified in this way is of low purity. The reason is that when formaldehyde is added to crude-toxin contained in the medium component, methyl bridge is formed between the toxin and the amino acids and peptides derived from the medium, resulting in a large number of peptides. Is attached to the toxin to become a toxoid. Low purity toxoid can cause side effects due to media components. That is, when beef meat is used as a medium component, toxoid binds to numerous peptides derived from cows, and these cow-derived peptides can be covalently bound to toxoid to act as an antigen, causing side effects. In particular, adults who have been continuously exposed to bovine antigens can cause more side effects than children.

1950년대 이전에는 조톡신을 무독화한 후 톡소이드를 정제하는 방법만이 있었으나, 그 후 1958년 폽과 스티븐이 톡신을 대량으로 정제하는 방법을 개발함으로써 톡신을 정제한 후 무독화하는 방법이 개발되기 시작하였다(Pope, C. G. and M. F. Steven,Brit. J. Exp. Path.39, 1958, 139-149). 즉 톡신 정제는 한외여과(ultrafiltration, 이하 'U.F.'로 약칭함) 및 칼럼 크로마토그래피와 같은 방법을 이용하여 조톡신으로부터 배지 성분의 펩타이드를 제거하고 디프테리아 톡신만을 정제한 후 톡신을 무독화시켜 톡소이드 백신을 제조하는 것이다. 이와 같이 톡신 정제를 통한 톡소이드 생산은 톡소이드가 톡신으로 복귀할 위험성이 있으나, 높은 순도의 톡소이드를 얻을 수 있고, 배지 유래 물질로 인한 부작용을 줄일 수있다는 장점을 지니고 있다. 특히 성인용 디프테리아 백신의 경우 대한민국의 생물학적 제제 기준에서 2,500 Lf/mg PN(protein nitrogen)이상의 순도가 요구되는데, 이는 성인의 경우 오랜 기간동안 소 항원에 노출되었기 때문에 소 유래 물질로 인한 부작용을 줄이기 위해서다. 따라서 톡신 정제를 통한 디프테리아 백신의 생산은 높은 순도의 디프테리아 백신 및 성인용 디프테리아 백신의 생산을 위해 필요한 정제 방법이라 할 수 있다.Prior to the 1950s, there was only a method of purifying toxoid after detoxifying zotoxin, but in 1958, a method for purifying toxin and detoxification was developed by Pop and Steven by developing a method for purifying toxin in large quantities. (Pope, CG and MF Steven, Brit. J. Exp. Path. 39, 1958, 139-149). In other words, the toxin purification was performed by removing the peptide from the medium component from the crude toxin, purifying only diphtheria toxin and then detoxifying the toxin by using methods such as ultrafiltration (hereinafter abbreviated as 'UF') and column chromatography. To prepare. As such, toxoid production through toxin purification has a risk of toxoid returning to toxin, but high purity toxoid can be obtained and side effects due to the medium-derived material can be reduced. In particular, adult diphtheria vaccines require purity of more than 2,500 Lf / mg protein nitrogen (PN) in Korea's biologics standards, because adults have been exposed to bovine antigens for long periods of time to reduce side effects due to bovine-derived substances. Therefore, the production of diphtheria vaccine through toxin purification is a purification method necessary for the production of high purity diphtheria vaccine and adult diphtheria vaccine.

이에, 본 발명자들은 고순도의 디프테리아 톡신 및 톡소이드를 대량으로 제조하기 위하여, 우선 발효조에서 C. 디프테리아의 배양조건을 최적화하고 톡신 생산성이 우수한 배지를 탐색하는 연구를 수행하고, 고순도의 톡소이드 백신을 제조하기 위한 톡신정제방법을 확립하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 질소원으로 카제인 효소분해(enzymetic digest) 산물을 이용하고 배지의 pH, 통기량 등을 적절히 조절하여 발효조를 이용한 배양을 실시하면 고순도의 디프테리아 톡신이 대량으로 생산되고, 이 톡신을 이중 U.F. 및 이온 교환 크로마토그래피를 통하여 정제한 후 무독화시키면 고순도의 디프테리아 톡소이드를 얻을 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the inventors of the present invention, in order to prepare a large amount of high-purity diphtheria toxin and toxoid, first conduct a study to optimize the culture conditions of C. diphtheria in a fermenter and to search for a medium having high toxin productivity, and to prepare a high-purity toxoid vaccine. As a result of repeated studies to establish a toxin purification method, high-purity diphtheria toxin can be obtained by using casein enzymetic digest as a nitrogen source and culturing with fermenter by properly adjusting pH and aeration of the medium. Produced in large quantities, this toxin is a double UF The present invention was completed by confirming that, after purification through ion exchange chromatography, detoxification can yield a high purity diphtheria toxoid.

본 발명의 목적은 고순도의 디프테리아 톡신을 대량으로 제조하는 방법 및 디프테리아 톡신을 정제하여 고순도의 디프테리아 톡소이드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a high purity diphtheria toxin and a method for producing a high purity diphtheria toxoid by purifying diphtheria toxin.

도 1은 코리네박테리움 디프테리아(Corynebacterium diphtheriae)를 본 발명의 발효조 배양방법을 이용하여 배양한 경우 시간의 경과에 따른 세포의 성장과 톡신생산량을 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a graph showing the growth and toxin production of cells over time when Corynebacterium diphtheriae ( Corynebacterium diphtheriae ) was cultured using the fermentor culture method of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 톡신 정제 톡소이드와 기존의 톡소이드 정제 톡소이드의 항원성을 비교하기 위하여 옥털로니 이중 면역확산법(Ouchterlony double immunodifusion)을 수행한 결과를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the results of performing the Ouchterlony double immunodifusion method to compare the antigenicity of the toxin purified toxoid and the conventional toxoid purified toxoid according to the present invention.

1: 디프테리아 항톡신; 2, 3: 톡신정제 톡소이드1: diphtheria antitoxin; 2, 3: toxin tablet toxoid

4, 5: 톡소이드정제 톡소이드4, 5: Toxoid Tablet Toxoid

도 3은 본 발명에 따른 톡신 정제 톡소이드와 기존의 톡소이드 정제 톡소이드의 분자량을 확인하기 위하여 SDS-PASE를 수행한 결과이다.Figure 3 is the result of performing SDS-PASE to confirm the molecular weight of the toxin purified toxoid and the conventional toxoid purified toxoid according to the present invention.

1; 마커; 2, 3, 4: 톡소이드정제 톡소이드One; Markers; 2, 3, 4: Toxoid Tablet Toxoid

5, 6, 7: 톡신정제 톡소이드5, 6, 7: Toxin Tablet Toxoid

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 질소원으로 카제인 효소분해 산물을 이용한 배지가 포함된 발효조에서 코리네박테리움 디프테리아를 배양하는 단계; b) 상기 배양액으로부터 디프테리아 톡신을 회수하는 단계를 포함하는 디프테리아 톡신의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of: a) culturing Corynebacterium diphtheria in a fermenter containing a medium using a casein enzymatic degradation product as a nitrogen source; b) it provides a method for producing diphtheria toxin comprising the step of recovering diphtheria toxin from the culture.

본 발명의 상기 카제인 효소분해 산물은 함유 아미노산의 평균 분자량이 400달톤 이상인 것이 바람직하다.The casein enzymatic degradation product of the present invention preferably has an average molecular weight of at least 400 Daltons of amino acids.

이때 상기 배지의 초기 pH는 6.5-7.5 범위내가 바람직하고, 약 pH 7.0이 더욱 바람직하다. 또한 상기 배지의 철 이온 농도는 0.7 mg/L 이하로 첨가하는 것이 바람직하고, 0.5 mg/L 이하로 첨가하는 것은 더욱 바람직하다.At this time, the initial pH of the medium is preferably within the range of 6.5-7.5, more preferably about pH 7.0. In addition, the iron ion concentration of the medium is preferably added to 0.7 mg / L or less, more preferably 0.5 mg / L or less.

또한 본 발명은 a) 디프테리아 균주가 생산한 톡신을 이중 U.F. 하는 단계; b) 여과된 톡신으로 이온 교환 크로마토그래피를 수행하는 단계; 및 c) 정제된 톡신을 무독화하는 단계를 포함하는 무독화된 톡소이드를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention a) toxins produced by diphtheria strains are double U.F. Making; b) performing ion exchange chromatography with filtered toxin; And c) detoxifying the purified toxin.

이때 상기 a) 단계의 이중 U.F. 는 분자량 컷오프(molecular weight cut off, 이하 'M.W.C.O.'로 약칭함) 100,000 모듈 및 M.W.C.O. 30.000 모듈을 이용하고, 상기 b) 단계는 정제된 톡신에 라이신을 첨가한 후 포르말린을 첨가하여 무독화시키는 방법에 의하여 달성된다.Wherein the double U.F. Is the molecular weight cut off (hereinafter abbreviated as 'M.W.C.O.') 100,000 modules and M.W.C.O. Using 30.000 modules, step b) is accomplished by adding lysine to the purified toxin and then detoxifying by adding formalin.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 a) 질소원으로 카제인 효소분해 산물을 이용한 배지가 포함된 발효조에서 코리네박테리움 디프테리아를 배양하는 단계; b) 상기 배양액으로부터 디프테리아 톡신을 회수하는 단계를 포함하는 디프테리아 톡신의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of: a) culturing Corynebacterium diphtheria in a fermentor containing a medium using a casein enzymatic degradation product as a nitrogen source; b) it provides a method for producing diphtheria toxin comprising the step of recovering diphtheria toxin from the culture.

구체적으로 본 발명은 톡신생산을 위한 최적화된 디프테리아 균주의 배양조건을 제공한다. 우선, 본 발명에서는 발효조를 이용한 디프테리아 균주의 배양에 있어서, 톡신생산에 최적화된 배지를 탐색한다.Specifically, the present invention provides culture conditions for optimized diphtheria strains for toxin production. First, the present invention searches for a medium optimized for toxin production in the culture of diphtheria strains using a fermentor.

본 발명에서는 디프테리아 균주로 코리네박테리움 디프테리아 파크-윌리암 8번 균주(Corynebacterium dihptheriaePark-Willium No.8 strain)를 이용하였다.In the present invention, Corynebacterium dihptheriae Park-Willium No. 8 strain was used as the diphtheria strain.

먼저, 세포성장과 톡신 생산에 가장 적합한 배지의 질소원을 결정하기 위하여, 질소원으로 카사미노산(Casamino acid), 톡시프로톤(Toxiprotone) 및 카제인 효소분해 산물(NZ-Case, NZ-Amine)을 선택하여 배지에 첨가하고 C. 디프테리아 균주를 배양하였다. 톡시프로톤은 가금류의 육질을 가공하여 만든 디프테리아 배양용 배지이다.First, in order to determine the nitrogen source of the medium best suited for cell growth and toxin production, casamino acid, toxiprotone and casein enzymatic degradation products (NZ-Case, NZ-Amine) are selected as the nitrogen source. And cultured C. diphtheria strains. Toxiproton is a medium for diphtheria culture made by processing meat of poultry.

그 결과 NZ-Case와 톡시프로톤이 균의 생육과 톡신생성 능력에서 다른 배지 보다 우수하였으며 발효시간도 짧았다. 그러나 톡시프로톤의 경우 육질 유래의 단백질 성분이 항원으로 작용하는 영향에 대한 검증이 추가로 요구되는 부담이 있는 반면, 카제인 유래 배지는 부작용에 대한 위험이 적고 톡신 생성 능력이 우수하여 디프테리아 균주 배양의 질소원으로 바람직한 것으로 확인되었다. 특히, 카제인 효소분해 산물중에서도 함유 아미노산의 평균 분자량이 400 달톤 이상인 경우 균주배양 능력 및 톡신생성 능력에서 더욱 우수한 결과를 보였다.As a result, NZ-Case and oxyproton were superior to other media in the growth and toxin production ability of bacteria and the fermentation time was short. However, in the case of oxyprotone, there is an additional burden of verifying the effect of meat-derived protein components as antigens, whereas casein-derived media has a low risk of side effects and a high toxin-producing ability, which is a nitrogen source for diphtheria strain culture. It was confirmed as preferable. In particular, the case of the casein enzymatic degradation products showed a more excellent result in the strain culture capacity and toxin production capacity when the average molecular weight of the amino acid is more than 400 Daltons.

또한 본 발명에서는 세포성장과 톡신 생산에 가장 적합한 배지의 pH를 결정하기 위하여, 배지의 초기 pH를 6.6~7.8사이로 조정하여 C. 디프테리아 균주를 배양하였다. 그 결과 pH 6.5-7.5 범위내가 바람직하고, pH 7.0 부근으로 조정하는 것이 더욱 바람직한 것으로 나타났다.In the present invention, in order to determine the pH of the medium most suitable for cell growth and toxin production, C. diphtheria strains were cultured by adjusting the initial pH of the medium to 6.6-7.8. As a result, it was found that the pH is in the range of 6.5-7.5, and it is more preferable to adjust the pH to around 7.0.

이는 디프테리아 톡신 생산을 위한 배지의 초기 pH가 일반적으로 7.5~7.8인 것으로 보고된 것과는 다른 결과이다. 이러한 결과는 양호한 통기조건에서는 pH가 지속적으로 증가하므로 배양 말기의 pH를 상대적으로 낮게 제공할 수 있는 초기 pH 7.0 배지가 가장 우수한 세포성장과 톡신생성을 나타낸 것으로 생각되었다.This is a different result than the initial pH reported for the medium for diphtheria toxin production is generally 7.5-7.8. These results indicate that the initial pH 7.0 medium, which can provide a relatively low pH at the end of the cultivation, showed the best cell growth and toxin production since the pH continuously increased under good aeration conditions.

디프테리아 톡신 생산에서 배지의 철이온 농도는 매우 중요한 요인이 된다. 머피 등은 돌연변이체를 사용한 연구를 통해 톡신을 합성하는 톡스 유전자(toxgene)의 조절에 철 이온이 코리프레서(corepressor)로 작용한다고 보고하였다(Murphy, J. R. et al.,J. Virol.18, 1976, 23-44). 즉 세포 내 철 이온의 농도가 낮아야만 톡스 오페론(toxoperon)이 디리프레스(derepress)되어 톡신 생산이 가능하게 된다. 따라서 배양기간 동안에 배지내의 철 이온농도는 제한조건으로 계속 유지되는 것이 높은 수율의 디프테리아 톡신 생산에 반드시 필요하다.Iron ion concentration in the medium is a very important factor in the production of diphtheria toxin. Murphy et al. Reported that iron ions act as corepressors in the regulation of tox genes that synthesize toxins through studies using mutants (Murphy, JR et al., J. Virol. 18) . , 1976, 23-44). That is, only when the concentration of iron ions in the cell is low, the tox operon is derepressed to allow toxin production. Therefore, it is necessary for the high yield of diphtheria toxin to be maintained in the iron ion concentration in the medium during the culture period.

본 발명에서는 세포성장과 톡신 생산에 가장 적합한 배지내의 철 이온 농도를 결정하기 위하여, FeSO4용액을 사용하여 철이온 농도를 0.2 ∼ 0.8mg/L로 첨가한 배지에서 C. 디프테리아 균주를 배양하였다. 그 결과 철 이온 농도는 0.6 mg/L이하로 첨가되는 것이 바람직하고, 0.5 mg/L 이하가 더욱 바람직하다. 그러나 균체의 농도가 낮은 배양초기에는 균체의 성장을 위하여 철이온 농도가 일정정도 존재하는 것이 바람직하다.In the present invention, in order to determine the iron ion concentration in the medium that is most suitable for cell growth and toxin production, C. diphtheria strains were cultured in a medium to which the iron ion concentration was added at 0.2 to 0.8 mg / L using FeSO 4 solution. As a result, the iron ion concentration is preferably added at 0.6 mg / L or less, more preferably 0.5 mg / L or less. However, in the early stage of incubation with low cell concentration, it is preferable that a certain amount of iron ion exists for growth of the cell.

또한 본 발명에서는 세포성장과 톡신 생산에 가장 적합한 배지의 용존산소량을 결정하기 위하여, 통기량은 0.22 vvm으로 고정시키고 교반속도를 200 ∼ 500rpm으로 변화시켜 C. 디프테리아 균주를 배양한 결과 380 rpm 이상의 교반속도에서 톡신생성이 최고에 달하고, 특히 약 400-430 rpm에서 더욱 바람직함을 확인하였다.In the present invention, in order to determine the dissolved oxygen amount of the medium most suitable for cell growth and toxin production, the aeration amount is fixed at 0.22 vvm and the agitation speed is changed to 200 ~ 500rpm to incubate C. diphtheria strains and stirred at 380 rpm or more. It was found that toxin production at the speed reached the highest, particularly at about 400-430 rpm.

높은 수율의 톡신을 얻기 위해서 배지 내에 적정 농도의 칼슘-인산염 침전이 형성되어 있는 것이 필수적이다. 따라서 본 발명에서는 배지내의 최적의 칼슘-인산염 침전량을 결정하기 위하여, 칼슘-인산염의 비가 5.7~8.8 수준이 되도록 인산염 용액과 CaCl2용액을 여러 농도로 첨가해주어 C. 디프테리아 균주를 배양한 결과, 칼슘-인산염의 침전량은 세포성장에 크게 영향을 주지 않았으나 적정량 이상이거나 이하일 경우 배지 내의 철 이온의 농도에 영향을 미쳐 톡신의 생산 수율을 변화시키는 것으로 나타났다.In order to obtain a high yield of toxin, it is essential that an appropriate concentration of calcium-phosphate precipitate is formed in the medium. Therefore, in the present invention, in order to determine the optimal calcium-phosphate precipitation in the medium, phosphate solution and CaCl 2 solution were added at various concentrations so that the ratio of calcium-phosphate was 5.7-8.8, and C. diphtheria strains were cultured. -The amount of precipitation of phosphate did not significantly affect cell growth, but when it was above or below the proper amount, it affected the concentration of iron ions in the medium and changed the yield of toxin production.

본 발명에서 최적화한 발효조 배양법의 유효성을 확인하기 위하여, 상기 결정된 배지조성 등의 배양조건을 적용한 발효조 배양과 기존의 정치배양을 통하여 생산된 각각의 디프테리아 톡신의 양과 품질을 비교하였다.In order to confirm the effectiveness of the fermenter culture method optimized in the present invention, the amount and quality of each of the diphtheria toxin produced through the culture of the fermenter and the conventional political culture to which the culture conditions such as the above-described medium composition was applied were compared.

기존 정치배양은 질소원으로 카사미노산을 이용한 뮬러 엔 밀러 배지(Mueller, J. H.,J. Immunol.37, 1980, 103-112)에 C. 디프테리아를 접종하여 배양하였다. 양 배양에서 생산된 톡신을 비교한 결과 발효조를 이용한 배양에서 생산된 톡신이 정치배양으로 생산한 톡신에 비하여 톡신 농도 및 톡신 순도가 2배 이상의 높은 값을 보였다. 또한 디프테리아 항톡신과 반응하는 시간도 발효조 배양에서 얻은 톡신이 더 빠르게 나타나, 발효조 배양으로 생산한 톡신의 품질이 우수함을 확인하였다.Existing political culture was inoculated with C. diphtheria in Mueller, Miller (Ju, J. Immunol. 37, 1980, 103-112) using casamino acid as a nitrogen source. As a result of comparing the toxin produced in both cultures, the toxin produced in the culture using the fermenter showed more than two times higher toxin concentration and toxin purity than the toxin produced by the political culture. In addition, the reaction time with the diphtheria antitoxin also appeared faster in the toxin obtained in the fermentor culture, it was confirmed that the quality of the toxin produced by the fermentor culture is excellent.

또한 상기 두가지 배양방법으로 생산된 톡신을 정제하여 백신제조를 위한 최종 원액을 만들고 기니아-피그(guinea-pigs)를 이용한 동물실험을 통하여 두 톡소이드의 면역원성을 비교하는 역가시험(potency test)을 수행하였다. 그 결과 본 발명의 발효조 배양을 통하여 얻은 톡신이 정치배양 톡신에 비해 월등히 우수한 역가를 가지는 것으로 나타났다.In addition, the toxins produced by the two culture methods were purified to prepare a final stock solution for vaccine production, and a potency test comparing the immunogenicity of the two toxoids was carried out through animal experiments using guinea-pigs. It was. As a result, the toxin obtained through the culture of the fermenter of the present invention was found to have a superior titer than the political culture toxin.

이상의 실험을 통해 발효조배양으로 톡신을 생산할 경우 수율과 생산성 및 면역원성이 모두 우수한 디프테리아 톡소이드를 생산할 수 있음을 확인하였다.Through the above experiments, it was confirmed that when the toxin is produced in the fermentation broth, it is possible to produce diphtheria toxoid having excellent yield, productivity, and immunogenicity.

본 발명은 디프테리아 균주가 생산한 톡신을 정제하고 무독화하여 고순도의 디프테리아 톡소이드를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing high purity diphtheria toxoid by purifying and detoxifying the toxin produced by the diphtheria strain.

구체적으로 본 발명의 톡소이드 제조방법은 a) 톡신을 이중 U.F.하는 단계; b) 여과된 톡신으로 이온 교환 크로마토그래피를 수행하는 단계; 및 c) 정제된 톡신을 무독화하는 단계를 포함한다.Specifically, the method for preparing toxoid of the present invention comprises the steps of: a) dual U.F. toxins; b) performing ion exchange chromatography with filtered toxin; And c) detoxifying the purified toxin.

본 발명에서는 우선, 상기 정치배양방법 또는 발효조배양방법으로 C. 디프테리아 균주를 배양하고 그 배양액에서 여과지로 균체를 제거한 후 다시 막 여과지로 세균 여과하여 조톡신을 얻었다.In the present invention, C. diphtheria strains were cultivated by the above-mentioned static culture method or fermentation tank culture method, and then the bacteria were removed from the culture medium by filter paper, followed by bacterial filtration with membrane filter paper to obtain Jotoxin.

조톡신은 톡신과 기타 다른 단백질로 구성되어 있는데, 콕스는 조톡신의 전체 단백질 중 디프테리아 톡신이 15%이고 톡신보다 분자량이 큰 단백질이 12%이며 톡신보다 분자량이 작은 배지 유래 단백질 및 기타물질이 73%로 구성되어 있다고발표하였다(Cox, J. C.,Appl. Microbiol.29, 1975, 464-468).Jotoxins are composed of toxins and other proteins. Cox contains 15% of diphtheria toxins, 12% more molecular weight than toxins, and less of toxins. (Cox, JC, Appl. Microbiol. 29, 1975, 464-468).

기존에는 분자량이 작은 단백질의 제거를 위하여는 U.F. 공정이 사용되고, 톡신보다 분자량이 큰 단백질의 제거를 위하여 암모니움 설페이트(ammonium sulfate, 이하 'A/S'로 약칭함)를 이용한 솔팅아웃(salting out) 방법이 주로 사용되어졌다. 낮은 농도의 A/S에서 톡신은 침전이 되지 않는 반면 분자량이 큰 물질은 침전이 되기 때문이다. 그러나 이 방법은 낮은 농도의 A/S에 의해 전도도가 높아지기 높아지기 때문에 DEAE 이온 교환 크로마토그래피를 수행하기에 앞서 전도도를 낮추기 위해 버퍼 교환(buffer exchange)이 요구된다. 본 발명에서는 이러한 번거로움을 극복하기 위해 2중 U.F를 수행하였다.In the past, U.F. The process was used, and the salting out method using ammonium sulfate (hereinafter abbreviated as 'A / S') was mainly used to remove proteins having a molecular weight greater than that of toxin. This is because toxins do not precipitate at low concentrations of A / S, while those with higher molecular weight do precipitate. However, this method requires higher concentrations of A / S, resulting in higher conductivity, which requires buffer exchange to reduce conductivity prior to DEAE ion exchange chromatography. In the present invention, a double U.F. was performed to overcome this inconvenience.

구체적으로 본 발명에서는 M.W.C.O. 모듈을 이용하고, 디프테리아 톡신의 분자량이 58,500인 것을 감안하여 M.W.C.O. 100,000 모듈로 분자량이 큰 단백질을 제거하고 여액을 회수한 다음 M.W.C.O. 30,000 모듈을 이용하여 분자량이 작은 단백질을 제거하였다. 그 결과 순도가 조톡신에 비해 약 41% 향상이 되었으며, 이는 낮은 농도의 A/S 처리 결과와 유사하였다.Specifically, in the present invention, M.W.C.O. The module was used and the M.W.C.O. was determined in consideration of the molecular weight of diphtheria toxin of 58,500. 100,000 modules were used to remove proteins of high molecular weight and to recover the filtrate, followed by M.W.C.O. 30,000 modules were used to remove low molecular weight proteins. As a result, the purity was improved about 41% compared to that of zotoxin, which was similar to the result of low concentration A / S treatment.

따라서 본 발명에서는 2중 U.F 방법이 톡신정제에 있어 A/S를 사용하지 않으면서도 디프테리아 톡신 보다 큰 분자량의 다른 단백질을 제거하는데 유용한 방법임을 확인하였다.Therefore, in the present invention, the double U.F method was found to be a useful method for removing other proteins of higher molecular weight than diphtheria toxin without using A / S in toxin purification.

U.F 농축액의 가장 큰 특징은 조톡신의 짙은 갈색 색소가 제거된다는 것이다. 이 색소는 단백질이 아니고, 이후 DEAE-이온 교환 크로마토그래피를 수행하면DEAE-겔에 톡신보다 더 강하게 흡착되어 0.5N NaOH 에서 용출되었다. 따라서 이러한 색소 성분이 백신 제조시에는 알루미늄 하이드록사이드 겔 아쥬반트(alumimium hydroxide gel adjuvant)에 톡소이드보다 먼저 흡착되어 흡착률을 저해하는 요소가 되리라 생각된다. 따라서 U.F 공정은 시료의 농축 및 순도 향상 뿐만 아니라 색소 제거에도 큰 의미가 있다.The main feature of the U.F concentrate is the removal of the dark brown pigment of zotoxin. This dye is not a protein, and when DEAE-ion exchange chromatography was performed, the DEAE-gel was more strongly adsorbed than toxin and eluted at 0.5N NaOH. Therefore, it is thought that such a pigment component is adsorbed to aluminum hydroxide gel adjuvant prior to toxoid in the preparation of a vaccine, thereby inhibiting the adsorption rate. Therefore, the U.F process has great significance not only for the concentration and purity of the sample but also for the removal of the pigment.

조톡신내에 있는 톡신은 한 종류의 전하량을 지니기 때문에 전하량 차이를 이용한 이온 교환 크로마토그래피로 정제가 가능하며, 이온 교환 크로마토그래피의 경우 대량으로 시료 처리가 용이하기 때문에 대량 생산체계에 적합한 정제 방법이다.Toxin in zotoxin can be purified by ion exchange chromatography using the difference in charge amount because it has one kind of charge, and in the case of ion exchange chromatography, it is a purification method suitable for mass production system.

본 발명에서는 상기한 장점 때문에 이온 교환 크로마토그래피 방법을 이용하여 톡신을 정제하였다.In the present invention, the toxin was purified using an ion exchange chromatography method because of the above advantages.

구체적으로, 본 발명에서는 이중 U.F.로 농축한 톡신을 다시 DEAE-세파로즈칼럼을 이용한 이온 교환 크로마토그래피를 실시하여 정제하였다.Specifically, in the present invention, the toxin concentrated in double U.F. was further purified by ion exchange chromatography using DEAE-sepharose column.

그 결과 용출 프로파일에는 4개의 피크가 관찰되었고, 이중 전도도 10.7 mS/cm에서 용출된 피크에서만 Lf가 측정되어 이것이 톡신 피크임이 확인되었다. 이를 회수한 결과 특히 상기 톡신 회수액은 색소 성분이 거의 없는 투명한 톡신 용액이었다.As a result, four peaks were observed in the dissolution profile, and Lf was measured only at the peak eluted at a double conductivity of 10.7 mS / cm, confirming that this was a toxin peak. As a result of the recovery, the toxin recovery solution was a transparent toxin solution having almost no pigment component.

본 발명에 따른 이중 U.F. 및 이온 교환 크로마토그래피를 통하여 정제한 톡신의 순도를 측정한 결과, 콕스가 톡신정제 후 무독화한 톡소이드의 순도와 유사한 값을 나타내었다. 따라서 본 발명의 톡신정제법이 매우 효과적인 방법으로 확인되었다.Dual U.F. according to the invention. As a result of measuring the purity of toxin purified through ion exchange chromatography, Cox showed similar values to that of detoxified toxoid after toxin purification. Therefore, the toxin purification method of the present invention was confirmed as a very effective method.

본 발명에서는 상기 과정으로 정제한 톡신을 무독화하여 디프테리아 톡소이드를 제조한다. 톡신의 무독화는 톡신 함량, 사용하는 아미노산 종류와 농도, 사용하는 포르말린의 농도, 무독화 시간, 온도, pH가 중요한 무독화 요인으로 알려져 있다.In the present invention, diphtheria toxoid is prepared by detoxifying the toxin purified by the above process. Toxin detoxification is known to be important detoxification factors such as toxin content, type and concentration of amino acids used, concentration of formalin used, detoxification time, temperature, pH.

톡신에 0.5% 포르말린만을 첨가하여 무독화할 경우 불완전한 무독화와 Lf의 감소가 발생하는데, 이는 무독화중 pH가 저하되어 톡신이 충분한 메틸 가교를 형성하지 못하기 때문이다. 무독화중 pH 저하를 방지하기 위해 0.5% 소디움 바이카보네이트(sodium bicarbonate)를 첨가할 경우 pH 저하를 방지할 수 있으나 톡신으로의 복귀가 발견된다. 이러한 복귀를 방지하기 위해 뉴뮬러는 0.1M 글리신을 사용하였는데, 무독화 후 톡신으로의 복귀는 발견되지 않았지만 안정성 및 면역원성이 낮았다(Neumuller, C.,Nature174, 1954, 405-412). 그 후 링구드 등이 여러 종류의 아미노산을 실험한 결과 라이신이 가장 적합한 아미노산임을 밝혀 내었다(Linggood, F. V.,Brit. J. Exp. Path.55, 1962, 177-188).Detoxification with only 0.5% formalin added to the toxin results in incomplete detoxification and a decrease in Lf because the toxin does not form sufficient methyl crosslinks due to a decrease in pH during detoxification. The addition of 0.5% sodium bicarbonate to prevent pH drop during detoxification can prevent the pH drop but a return to toxin is found. To prevent this return, Neumula used 0.1M glycine, which had no stability and immunogenicity, although no return to toxin was found after detoxification (Neumuller, C., Nature 174, 1954, 405-412). Later, et al. Experimented with several amino acids and found that lysine was the most suitable amino acid (Linggood, FV, Brit. J. Exp. Path. 55, 1962, 177-188).

본 발명에서는 무독화 공정 중 라이신과 포르말린 첨가 순서에 따라 톡신액의 성상에 차이가 관찰되었는데, 톡신액에 포르말린을 먼저 첨가할 경우 응집체(aggregate)가 생겼으며 이는 무독화 기간내내 없어지지 않았다. 반면, 라이신 첨가 후에 포르말린을 넣을 경우 무독화 기간내내 맑은 성상을 유지하였다. 이는 라이신없이 포르말린을 첨가할 경우 포르말린에 의해 톡신과 톡신사이에 메틸 가교가 형성됨으로써 응집체가 형성되는 반면, 라이신이 존재하는 경우 라이신과 톡신의 결합으로 인해 톡신과 톡신의 결합이 방지됨으로써 가용성 형태가 유지되기때문으로 판단된다.In the present invention, a difference in the properties of the toxin solution was observed according to the order of lysine and formalin addition during the detoxification process, but when formalin was first added to the toxin solution, aggregates were formed, which did not disappear during the detoxification period. On the other hand, when formalin was added after lysine addition, clear appearance was maintained throughout the detoxification period. When formalin is added without lysine, an agglomerate is formed by forming a methyl bridge between toxin and toxin by formalin, whereas when lysine is present, the soluble form is prevented by binding of toxin and toxin due to binding of lysine and toxin. It is judged to be maintained.

따라서 본 발명에서는 라이신을 먼저 첨가한 후 포르말린을 첨가하는 것이 톡소이드의 손실 없이 무독화시키는 안정된 무독화 방법으로 판단되었다.Therefore, in the present invention, the addition of lysine first, followed by the addition of formalin was judged as a stable detoxification method for detoxification without loss of toxoid.

구체적으로 본 발명에서는 톡신용액에 0.5 % 소디움 바이카보네이트와 0.05 M 라이신을 첨가하고, 0.5% 포르말린을 첨가한 다음 pH를 7.5%로 조정하여 4주간 37℃ 항온실에 방치하여 무독화시켰다.Specifically, in the present invention, 0.5% sodium bicarbonate and 0.05 M lysine were added to the toxin solution, 0.5% formalin was added, and the pH was adjusted to 7.5%.

본 발명에 따라 제조된 톡신정제 톡소이드가 톡신으로 복귀되는지를 확인하기 위하여, 무독화시험을 수행하였다. 본 발명의 톡소이드를 투여한 기니아-피그를 30일간 관찰한 결과 동물에서 독소에 의한 중독사, 괴사, 마비 등의 중독증상, 현저한 체중감소, 기타의 이상이 관찰되지 않았다.Toxin-purified toxin prepared according to the present invention, to confirm whether the return to toxin, a detoxification test was performed. As a result of observing the guinea-pig to which the toxoid of the present invention was administered for 30 days, no poisoning symptoms such as toxin poisoning, necrosis, paralysis, remarkable weight loss, and other abnormalities were observed in the animal.

또한 본 발명에 의한 톡신정제 톡소이드와 기존의 톡소이드정제 톡소이드의 품질을 비교한 결과, 순도 및 역가에서 본 발명의 톡신정제 톡소이드가 우수함을 확인하였다.In addition, as a result of comparing the quality of the toxin tablet toxoid and the conventional toxoid tablet toxoid according to the present invention, it was confirmed that the toxin tablet toxoid of the present invention was excellent in purity and titer.

따라서 본 발명의 톡소이드 제조방법을 이용하여 순도가 높고 역가가 우수한 디프테리아 톡소이드의 생산 및 성인용 디프테리아 백신의 생산이 가능하다.Therefore, the production of diphtheria toxoid with high purity and excellent titer and production of adult diphtheria vaccine using the toxoid production method of the present invention is possible.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The following examples illustrate the invention but are not intended to limit the scope thereof.

Ⅰ. 톡신의 생산I. Production of toxin

〈실시예 1〉균주 및 배지 조성<Example 1> Strain and medium composition

본 발명에서는 디프테리아에 대한 능동면역에 필요한 톡소이드를 생산하는데 일반적으로 사용되어온 코리네박테리움 디프테리아 파크-윌리암 8번 균주를 식품의약품 안전청(KFDA)에서 분양받아 사용하였다.In the present invention, Corynebacterium diphtheria park-William No. 8 strain, which has been generally used to produce toxoid necessary for active immunity against diphtheria, was distributed and used by the Korea Food and Drug Administration (KFDA).

발효조를 이용한 배양을 실시하기 위하여, 7 L 쟈 발효조(jar fermentor, KFC. 한국)를 멸균한 후 여과하여 멸균한 4.5L의 하기 표 1에 나타낸 조성의 배지를 넣고, 균주의 접종 전에 인산염 용액과 40% CaCl2용액을 첨가하여 침전을 생성시킨 다음 0.4%(v/v)의 균주를 접종하여 35℃서 배양하였으며, 배지의 초기 pH는 7.0~7.4로 조정하였다. 용존산소의 영향은 0.22 vvm의 통기조건에서 200∼500rpm의 범위로 교반하면서 실험을 수행하였다.In order to perform the culture using a fermentation tank, sterilized 7 L jar fermentor (KFC. Korea), filtered and sterilized 4.5L of the composition of the composition shown in Table 1, and the phosphate solution and before inoculation of the strain Precipitation was generated by adding 40% CaCl 2 solution, and then inoculated with 0.4% (v / v) of the strain and incubated at 35 ° C., and the initial pH of the medium was adjusted to 7.0˜7.4. The effect of dissolved oxygen was carried out while stirring in the range of 200 ~ 500rpm under aeration conditions of 0.22 vvm.

조성Furtherance 농도density 10% NZ-Case 스톡 용액(NZ-Case stock solution)10% NZ-Case stock solution 33.3 %(v/v)33.3% (v / v) 말토스Maltose 25.0 g/L25.0 g / L 69% 소디움 락테이트 용액(sodium lactate solution)69% sodium lactate solution 0.17 %(v/v)0.17% (v / v) 뮬러 성장 인자 용액(Mueller growth factor solution)Mueller growth factor solution 0.8 %(v/v)0.8% (v / v) 10% L-시스틴 HCI 용액(L-Cystine HCI solution)10% L-Cystine HCI solution 0.2 %(v/v)0.2% (v / v) 0.1 mg/mL Fe2-용액0.1 mg / mL Fe 2- solution 0.2~0.5 mg/L0.2-0.5 mg / L

상기 표 1의 10% NZ-Case 스톡 용액은 다음과 같이 준비하였다. NZ-Case(쉐필드, 미국) 500.0g, Na2HPO419.5 g, KH2PO46.5g을 4.2L의 증류수에 녹인 후 10N NaOH를 이용하여 pH를 9.3으로 맞추고 79℃로 가열한 후 CaCl220.46g을 첨가하여 침전을 형성시켰다. 침전을 원심분리로 제거시킨 상등액을 스톡 용액으로 사용하였다.The 10% NZ-Case stock solution of Table 1 was prepared as follows. NZ-Case (Sheffield, USA) 500.0g, Na 2 HPO 4 19.5g, KH 2 PO 4 6.5g was dissolved in 4.2L of distilled water to adjust the pH to 9.3 with 10N NaOH and heated to 79 ℃ CaCl 2 20.46 g was added to form a precipitate. The supernatant from which the precipitate was removed by centrifugation was used as stock solution.

〈실시예 2〉세포성장과 톡신의 생성Example 2 Cell Growth and Toxin Generation

세포성장과 톡신 생성과의 관계를 검토하기 위하여 발효조를 이용한 NZ-Case 배지에서의 배양 경과에 따라 세포의 농도와 톡신의 농도를 특정하였다(도 1 참조).In order to examine the relationship between cell growth and toxin production, the concentration of cells and the concentration of toxin were determined according to the progress of culture in NZ-Case medium using a fermentor (see FIG. 1).

세포의 농도는 650nm에서 분광광도계(spectrophotometer)를 사용하여 광학밀도(optical density)로 측정하였다. 톡신의 농도는 라몬(Ramon)의 응집 방법(floculation method)을 이용하였으며, 측정값은 Lf/mL로 나타내었다. Lf값을 결정하기 위하여, 100 IU/mL 항톡신(WHO 디프테리아 항톡신)을 5IU 간격으로 30IU에서 70IU까지 다단계로 희석하여 준비하였고, 시료는 50 Lf/mL이 되도록 생리식염수로로 희석하여 준비하였다. 5mL 튜브에 준비된 항톡신 1 mL와 시료 1mL 넣고 50℃ 항온조에서 반응시켜 가장 먼저 반응이 일어나는 튜브의 IU를 확인한 후 희석배수를 곱하여 Lf를 계산하였다.The concentration of cells was measured by optical density using a spectrophotometer at 650 nm. The concentration of toxin was used by Ramon's floculation method, and the measured value was expressed as Lf / mL. In order to determine the Lf value, 100 IU / mL antitoxin (WHO diphtheria antitoxin) was prepared by diluting in multiple steps from 30 IU to 70 IU at 5 IU intervals, and the sample was prepared by diluting with saline to 50 Lf / mL. . 1 mL of the prepared antitoxin and 1 mL of the sample were placed in a 5 mL tube and reacted at 50 ° C. in an incubator.

도 1에 도시한 바와 같이, 톡신은 12시간 이후로 생성되기 시작하였으며 지수성장기에서 톡신의 생성도 활발하게 일어나 톡신의 농도가 급격히 증가하였다. 지수성장기의 말기인 30시간 이후에도 톡신의 농도는 계속 증가하였으나 전체적으로 세포성장이 멈추면서 톡신의 생성도 같이 중단되는 경향을 관찰할 수 있었다.As shown in FIG. 1, toxins began to be produced after 12 hours, and toxins were also actively generated in the exponential growth phase, thereby rapidly increasing the concentration of toxins. After 30 hours at the end of the exponential growth phase, the toxin concentration continued to increase, but the overall growth of the toxin was also observed.

배양시간이 42시간이 지나면서 톡신의 농도는 조금씩 감소하기 시작하였는데, 이는 생성된 톡신이 세포가 사멸하면서 방출되는 프로테아제등에 의해 변성되어 항원항체 반응을 통한 톡신의 정량에서 측정되지 않기 때문으로 생각되었다.After 42 hours of incubation, the concentration of toxins began to decrease gradually, because the toxins produced were denatured by proteases released during cell death and were not measured in the determination of toxins through antigen-antibody reactions. .

균체의 농도는 배양 초기 24시간까지는 균체의 최대 농도 대비 34~38%에 해당하지만 톡신 생성량은 24~28%에 불과하므로 균체의 단위중량 당 생산된 톡신의 양은 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 세포성장과 톡신 생성은 단순한 일차 비례 함수로 설명될 수 없으며, 여러 가지 배양조건의 인자들에 따라 그 경향은 달라질 수 있음을 나타내었다.The concentration of the bacterial cells corresponds to 34-38% of the maximum concentration of the bacterial cells until the first 24 hours of incubation, but the toxin production amount is only 24-28%, so the amount of toxin produced per unit weight of the bacterial cells is gradually increased. Therefore, cell growth and toxin production could not be explained by simple linear proportional function, and the trend could be changed according to factors of various culture conditions.

〈실시예 3〉질소원의 영향<Example 3> Influence of nitrogen source

배지의 질소원 종류에 따라 세포 성장과 톡신 생산에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 질소원으로서 카사미노산, NZ-Case(쉐필드, 미국), NZ-Amine(쉐필드, 미국), 톡시프로톤(솔라비아, 프랑스)을 선택하여 실시예 1에서와 같은 발효조를 이용한 실험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.To examine the effects on cell growth and toxin production according to the type of nitrogen source of the medium, as a nitrogen source, casamino acid, NZ-Case (Sheffield, USA), NZ-Amine (Sheffield, USA), and oxyproton (Solavia, France) The experiment was carried out using the fermenter as in Example 1 by selecting the results are shown in Table 2 below.

배지badge 배양시간(시)Incubation time (hours) OD(650nm)OD (650 nm) 톡신 농도(Lf/mL)Toxin Concentration (Lf / mL) 카사미노산Cassamino 4848 15.315.3 2020 톡시프로톤Oxyproton 4848 45.245.2 220220 NZ-AmineNZ-Amine 4040 33.733.7 180180 NZ-CaseNZ-Case 3939 43.043.0 225225

상기에서 NZ-case와 NZ-Amine은 모두 카제인을 효소분해한 배지로서 각각의 아미노산 분포와 분자량 분포에서 하기 표 3 및 표 4와 같은 차이를 보인다.In the above NZ-case and NZ-Amine both show a difference as shown in Table 3 and Table 4 in the amino acid distribution and the molecular weight distribution of each of the casein-enzyme-mediated medium.

NZ-Amine(㎎/g)NZ-Amine (mg / g) NZ-Case(㎎/g)NZ-Case (mg / g) 아스파르트산Aspartic acid 66.166.1 63.263.2 트레오닌Threonine 38.838.8 38.038.0 세린Serine 50.450.4 49.449.4 글루타민산Glutamic acid 181.0181.0 178.0178.0 프롤린Proline 89.689.6 88.588.5 글리신Glycine 17.617.6 16.516.5 알라닌Alanine 28.428.4 26.826.8 발린Valine 60.460.4 56.256.2 메티오닌Methionine 24.624.6 24.624.6 이소루신Isoleucine 46.446.4 45.045.0 루신Leucine 75.875.8 78.678.6 티로신Tyrosine 29.729.7 30.830.8 페닐알라닌Phenylalanine 40.740.7 42.442.4 히스티딘Histidine 23.323.3 23.423.4 라이신Lysine 39.839.8 69.769.7 아르기닌Arginine 27.627.6 31.331.3 트립토판Tryptophan 10.410.4 10.210.2

100-200100-200 200-500200-500 500-1000500-1000 평균분자량(달톤)Average molecular weight (daltons) NZ-AmineNZ-Amine 58%58% 32%32% 10%10% 283283 NZ-CaseNZ-Case 30%30% 20%20% 10%10% 410410

상기 표 2에서 보는 바와 같이 카제인 효소분해 산물과 톡시프로톤이 균의 생육과 톡신생성능력에서 우수하였으며 발효시간도 짧았다. 그러나 톡시프로톤의 경우 육질 유래의 단백질 성분이 항원으로 작용하는 영향에 대한 검증이 추가로 요구되는 부담이 있는 반면, 카제인 효소분해 산물은 기존 정치배양 배지와 같은 카제인유래의 배지로서 부작용에 대한 위험이 적고 톡신 생성 능력이 우수하여, 발효조 배양의 질소원으로 바람직하다.As shown in Table 2, the casein enzymatic degradation product and oxyproton were excellent in the growth and toxin production capacity of the bacteria and the fermentation time was short. However, in the case of oxyprotone, there is an additional burden of verifying the effect of the protein-derived protein as an antigen, whereas casein-enzyme degradation products are casein-derived media such as conventional culture culture media, and there is no risk of side effects. It is small and is excellent in toxin generating ability and is preferable as nitrogen source for fermenter culture.

특히, 함유 아미노산의 평균 분자량이 400 달톤 이상인 카제인 효소분해 산물을 이용한 경우 톡신생성 능력이 탁월하였다.In particular, when the casein enzymatic degradation product having an average molecular weight of 400 or more Daltons was used, the toxin producing ability was excellent.

〈실시예 4〉배지의 초기 pH 영향Example 4 Initial pH Effect of Medium

배지의 pH에 따라 세포 성장과 톡신 생산에 미치는 영향을 검토하기 위하여,배지의 초기 pH를 6.6~7.8사이로 조정하여 실시예 1에서와 같은 발효조를 이용한 실험을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.In order to examine the effect on the cell growth and toxin production according to the pH of the medium, the experiment was carried out using the fermenter as in Example 1 by adjusting the initial pH of the medium to 6.6 ~ 7.8, the results are shown in Table 5 Indicated.

배지의 초기 pHInitial pH of the medium 배양시간(시)Incubation time (hours) OD(650 nm)OD (650 nm) 최고 톡신 농도(Lf/mL)Highest toxin concentration (Lf / mL) 6.66.6 4242 32.532.5 205205 7.07.0 4242 38.638.6 223223 7.47.4 4444 30.430.4 197197 7.87.8 4141 36.336.3 160160

표 5에서 나타난 바와 같이, 최적의 세포성장과 톡신 생성은 pH 7.0에서 나타났다.As shown in Table 5, optimal cell growth and toxin production were at pH 7.0.

〈실시예 5〉용존산소량의 영향<Example 5> Influence of dissolved oxygen amount

배지의 용존산소량에 따라 세포 성장과 톡신 생산에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 통기량 0.22 vvm으로 고정시키고 교반속도를 200, 300, 400, 500rpm으로 변화시켜 실시예 1에서와 같은 발효조를 이용한 배양을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.In order to examine the effect on the cell growth and toxin production according to the dissolved oxygen content of the medium, the aeration was fixed at 0.22 vvm and the agitation speed was changed to 200, 300, 400, 500 rpm, and cultured using the fermenter as in Example 1. The results are shown in Table 6 below.

이 때 단백질 함량은 브래드포드 방법(bradford method)으로 측정하였으며 표준물질로는 소 혈청 알부민(bovine serum albumin)을 사용하였다. 배지내 말토스와 글루코스의 정량은 당 분석용 칼럼(Bionex PA1, 미국)을 사용한 HPLC(Bionex, 미국)를 통해 측정하였으며 디텍터는 펄스형 전기화학 검출기(Pulsed Amperometric Detecter)를 사용하였다.At this time, the protein content was measured by the Bradford method (bovine serum albumin) as a standard material. Quantification of maltose and glucose in the medium was measured by HPLC (Bionex, USA) using a sugar analysis column (Bionex PA1, USA), and the detector was a pulsed electrochemical detector (Pulsed Amperometric Detecter).

통기량(rpm)Aeration rate (rpm) 배양시간(시)Incubation time (hours) OD(650nm)OD (650 nm) 최고 톡신 농도(Lf/mL)Highest toxin concentration (Lf / mL) 잔존 말토스(g/L)Remaining maltose (g / L) 200200 4242 8.28.2 00 16.416.4 300300 3939 16.816.8 5050 7.957.95 400400 3939 43.043.0 228228 0.000.00 500500 3838 29.329.3 130130 0.190.19

교반속도가 200~300rpm의 경우 배양기간동안 거의 이루어지지 않았고, 톡신은 전혀 생성되지 않았거나 낮은 농도로 생성되었으며 45시간 배양 이후에도 배지 내에 이용되지 못한 말토스가 상당량 잔류해 있었다. 반면 400rpm 이상의 배양에서는 모든 탄소원이 대사에 이용되었으며 균체의 농도와 톡신 농도는 400rpm에서 최대값을 나타내었다. 그러나 500rpm 이상에서는 용존산소량이 적정 농도보다 높게 공급되어 당이 유기산으로 전환되는 배양초기의 대사과정에 최적의 조건을 제공해 주지 못한다. 따라서 최대의 세포성장과 톡신 수율을 얻기 위해서는 최적의 용존 산소량이 중요한 요인 중의 하나임을 알 수 있었다.When the stirring speed was 200 ~ 300rpm almost did not occur during the incubation period, no toxin was produced or produced at a low concentration and there was a significant amount of maltose unused in the medium even after 45 hours incubation. On the other hand, in the culture of 400rpm or more, all carbon sources were used for metabolism, and the cell concentration and toxin concentration showed the maximum value at 400rpm. However, at 500 rpm or higher, dissolved oxygen is supplied higher than the appropriate concentration, and thus, it does not provide optimal conditions for the metabolic process in the early stage of culture in which sugar is converted into organic acid. Therefore, in order to obtain the maximum cell growth and toxin yield, the optimum dissolved oxygen amount was found to be one of the important factors.

〈실시예 6〉철 이온 농도의 영향<Example 6> Influence of iron ion concentration

배지의 철 이온농도에 따라 세포 성장과 톡신 생산에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 0.1mg/lL의 FeSO4용액을 사용하여 철이온 농도를 0.2, 0.3, 0.4, 0.6, 0.8mg/L로 첨가한 배지에서 실시예 1에서와 같은 발효조를 이용한 배양을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다. 이 때 철 이온은 ICF-AES를 통한 기기분석으로 측정하였다.In order to examine the effect on the cell growth and toxin production according to the iron ion concentration of the medium, the iron ion concentration was added at 0.2, 0.3, 0.4, 0.6, 0.8 mg / L using a 0.1 mg / l FeSO 4 solution. The culture was carried out using a fermenter as in Example 1 in the medium, and the results are shown in Table 7 below. Iron ions were measured by instrumental analysis through ICF-AES.

철 이온 농도(mg/L)Iron Ion Concentration (mg / L) 배양시간(시)Incubation time (hours) OD(650nm)OD (650 nm) 최고 톡신 농도(Lf/mL)Highest toxin concentration (Lf / mL) 0.20.2 3838 38.138.1 215215 0.30.3 4242 40.740.7 230230 0.40.4 4242 37.937.9 210210 0.60.6 4242 38.538.5 160160 0.80.8 4141 37.237.2 9595

실험결과 0.2~0.4mg/L의 범위에서는 모두 200Lf/mL이상의 톡신이 생성되었으나 0.6mg/L 이상에서는 급격히 톡신 생성량이 감소함을 알 수 있었다. 또한 철 이온의 농도변화가 세포성장에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났는데, 이는 과량의 철 이온농도가 세포 성장속도에 큰 영향을 주지 않는다는 보고와 일치하였다.As a result, in the range of 0.2 ~ 0.4mg / L, all the toxins were produced more than 200Lf / mL, but it was found that the toxin production rapidly decreased at the 0.6mg / L or more. In addition, the iron ion concentration did not appear to have a significant effect on cell growth, which is consistent with the report that excessive iron ion concentration did not significantly affect the cell growth rate.

〈실시예 7〉칼슘-인산염 침전량의 영향Example 7 Influence of Calcium-Phosphate Precipitation

배지내의 최적의 칼슘-인산염 침전량을 결정하기 위하여, 칼슘-인산염의 비가 5.7~8.8 수준이 되도록 인산염 용액(K2HPO4255g/L , KH2PO485g/L)과 CaCl2용액(40% CaCl22H2O)을 여러 농도로 첨가해주어 실시예 1의 방법으로 배양한 결과를 하기 표 8에 나타냈다.To determine the optimal calcium-phosphate precipitation in the medium, the phosphate solution (K 2 HPO 4 255 g / L, KH 2 PO 4 85 g / L) and CaCl 2 solution (40%) were used to achieve a calcium-phosphate ratio of 5.7-8.8. CaCl 2 2H 2 O) was added at various concentrations, and the results of the incubation by the method of Example 1 are shown in Table 8 below.

인산염과 CaCl2용액의 첨가(㎖)Addition of Phosphate and CaCl 2 Solution (ml) OD (650 nm)OD (650 nm) 최고 톡신 농도(Lf/mL)Highest toxin concentration (Lf / mL) 인산염 용액Phosphate solution CaCl2용액CaCl 2 solution 4.34.3 13.013.0 30.330.3 140140 6.56.5 20.020.0 34.334.3 190190 13.013.0 41.041.0 43.043.0 228228 19.519.5 61.061.0 34.234.2 180180

실험결과를 통하여 칼슘-인산염의 침전량은 세포성장에 크게 영향을 주지 않았으나 적정량 이상이거나 이하일 경우 배지 내의 철 이온의 농도에 영향을 미쳐 톡신의 생산 수율을 변화시키는 것으로 나타났다.The experimental results showed that the precipitation of calcium-phosphate did not significantly affect the cell growth, but if it was above or below the proper amount, the concentration of iron ions in the medium changed the production yield of toxin.

〈실시예 8〉정치배양과 발효조배양의 비교Example 8 Comparison between Political Culture and Fermenter Culture

발효조에서 배양하여 생산된 C. 디프테리아 톡신과 기존의 정치배양으로 생산된 톡신의 품질을 비교하기 위하여, 우선 정치배양의 배지는 질소원으로서 카사미노 산을 사용한 뮬러 엔 밀러 배지를 2L의 룩스병에 250mL를 첨가하여 36℃에서 7일간 배양하였다. 접종용 균주의 배양은 뢰플러 슬랜트(Loeffler slant)에서 2일간 배양한 균주를 200mL의 배양배지가 들어 있는 1L 차폐 플라스크(baffled flask)에 0.4%(v/v)가 되도록 접종하여 35℃에서 2일간 배양하였다. 발효조 배양은 상기 실시예 1의 방법으로 수행하였다.In order to compare the quality of C. diphtheria toxin produced by culturing in a fermentor and the toxin produced by conventional political culture, the culture medium was first prepared by adding a Muller-Enmir medium using cassamino acid as a nitrogen source in 250 mL of 2L Lux bottles. It was incubated for 7 days at 36 ℃. Cultivation of the inoculation strains was inoculated to 0.4% (v / v) in a 1L shielded flask containing 200 mL of culture cultured in a Loeffler slant for 2 days to 2% at 35 ℃ Incubated daily. Fermenter culture was performed by the method of Example 1 above.

상기 두 배양의 결과를 비교하여 그 결과를 하기 표 9에 나타내었다.The results of the two cultures were compared and the results are shown in Table 9 below.

배양방법Culture method 정치배양Political Culture 발효조배양Fermentation tank culture 배양시간(시)Incubation time (hours) 168168 4848 톡신 농도(Lf/mL)Toxin Concentration (Lf / mL) 90-11090-110 200-230200-230 Kf (분)Kf (min) 4-54-5 1-21-2 순도 (Lf/mg PN)Purity (Lf / mg PN) 875-1020875-1020 1720-18251720-1825 역가 (iu/mL)Titer (iu / mL) 2>2> 4>4>

우선 발효조배양의 경우에는 재현성이 있게 톡신이 200 Lf/mL이상 생산될 수 있는 배양조건이 확립되었는데, 이는 최대 톡신 농도로 비교할 때 정치배양에 비해 2배 이상 높은 생산량이었다.First, in the case of fermentation tank culture, a culture condition capable of producing more than 200 Lf / mL of toxin was reproducibly established, which was more than two times higher than that of stationary culture when compared to the maximum toxin concentration.

톡신의 농도가 높아짐에 따라 자연히 순도도 증가하였는데, 일반적으로 정치배양의 순도는 800~1000 Lf/mg PN(Protein Nitrogen)이고 발효조배양일 경우 1000~2000 Lf/mg PN의 톡신이 생산될 수 있다고 알려져 있다. 본 발명에서는 발효조배양에서 최대 순도가 1825Lf/mg PN인 톡신이 생성되었으며, 이는 기존의 정치배양 방법에 비해 2배 이상 높은 값이다.Purity naturally increased as the concentration of toxin increased. Generally, the purity of political culture is 800 ~ 1000 Lf / mg PN (Protein Nitrogen), and in case of fermenter culture, toxins of 1000 ~ 2000 Lf / mg PN can be produced. Known. In the present invention, the toxin having a maximum purity of 1825 Lf / mg PN was produced in the fermentation broth, which is more than two times higher than the conventional political culture method.

디프테리아 항톡신과 반응하는 시간(Kf)도 발효조 배양에서 얻은 톡신이 더 빠르게 나타났고, 이는 발효조를 통해 생산되는 톡신이 기존 정치배양 톡신보다 더우수한 품질을 가진다는 것을 의미하는 것이다.The reaction time with the diphtheria antitoxin (Kf) also appeared faster in the toxin obtained from the fermentor culture, which means that the toxin produced through the fermentor has a better quality than the conventional political culture toxin.

또한 상기 두가지 배양방법으로 생산된 톡신을 정제하여 백신제조를 위한 최종 원액을 만들고 동물실험을 통하여 두 톡소이드의 면역원성을 비교하는 역가시험(potency test)를 수행하였다.In addition, the toxins produced by the two culture methods were purified to prepare a final stock solution for vaccine production, and a potency test comparing the immunogenicity of the two toxoids was performed through animal experiments.

우선, 정제한 톡소이드의 최종 원액을 알루미늄 하이드록사이드 겔 아쥬반트(Superfos Biosector A/S)에 흡착시켜 300~400g의 기니아-피그에 0.75 mL씩 피하 주사한 후 4주간 면역시켰다. 면역 후 혈청을 채취해 표준톡신 1L+(녹십자)와 중화시켜 이를 230~280 g의 기니아-피그에 2mL씩 피하 주사한 후에 12시간 단위로 120시간 동안 생존여부를 관찰하고 역가를 판단하여 그 결과를 하기 표 10에 나타내었다.First, the final stock solution of purified toxoid was adsorbed onto aluminum hydroxide gel adjuvant (Superfos Biosector A / S), and injected subcutaneously by injection of 0.75 mL into 300-400 g of guinea-pig and immunized for 4 weeks. After immunization, serum was collected and neutralized with standard toxin 1L + (green cross). Subcutaneous injection of 2 mL in 230-280 g of guinea-pig was performed for 12 hours, followed by 120 hours observation. It is shown in Table 10 below.

혼합mix 희석율Dilution rate 관찰시간(죽은 돼지수/실험돼지수)Observation time (dead pigs / experimental pigs) 2424 4848 7272 9696 120120 표준항톡신+표준톡신Standard Antitoxin + Standard Toxin 1 IU/mL1 IU / mL 0/20/2 2/22/2 2/22/2 정치배양의 최종 용액Final solution of political culture ×2× 2 0/20/2 0/20/2 2/22/2 ×4× 4 0/20/2 1/21/2 2/22/2 발효조배양의 최종 용액Final solution of fermenter culture ×2× 2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 ×4× 4 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2

그 결과, 발효조 배양에서 얻은 톡소이드는 국가검정기준인 2단위에서 모든 기니아 피그가 생존하였을뿐만 아니라 4단위에서도 모두 생존하여 정치배양 톡신에 비해 월등히 우수한 역가를 가지는 것으로 판단되었다. 이상의 실험을 통해 발효조배양으로 톡신을 생산할 경우 수율과 생산성 및 면역원성이 모두 우수한 디프테리아 톡소이드를 생산할 수 있음을 확인하였다.As a result, the toxoid obtained from the culture of the fermenter was not only surviving all the guinea pigs in 2 units, which is the national standard, but also all of the 4 units. Through the above experiments, it was confirmed that when the toxin is produced in the fermentation broth, it is possible to produce diphtheria toxoid having excellent yield, productivity, and immunogenicity.

더구나 발효조 배양의 경우에 높은 역가에 의하여 백신 제조시에 톡소이드의함량을 낮출 수 있으므로 부작용을 유발시키는 다른 단백질이 존재할 확율도 낮아지므로 부작용이 적은 백신의 제조가 가능할 것으로 예측된다.In addition, in the case of fermenter culture, the high titer may lower the content of toxoid during vaccine production, and thus, the possibility of other proteins causing side effects is also lowered.

Ⅱ. 톡소이드 백신의 제조II. Preparation of Toxoid Vaccine

〈실시예 9〉톡신의 생산Example 9 Production of Toxin

코리네박테리움 디프테리아 파크-윌리암 8번 균주의 동결 건조된 시드(seed)를 종균 배지(Wads Worth Broth)가 들어 있는 튜브에 접종한 후 36℃에서 48시간 정치 배양하였다. 배양 후 배지 표면에 자란 디프테리아 균체를 그램 염색하여 오염여부를 확인한 후 2.5%(w/v) 말토스(Difco)와 총질소량이 0.29%(w/v) 카사미노산(Difco)이 함유된 뮬러 엔 밀러 배지에 접종하고, 룩스병을 이용하여 36℃에서 7일간 정치 배양하였다. 배양액에서 토요 2번(Toyo #2) 여과지로 균체를 제거한 후 막 여과지(Sartorious, 0.2 ㎛)로 세균 여과하였다. 이를 조톡신이라 명명하였다.Lyophilized seeds of Corynebacterium diphtheria park-William strain 8 were inoculated into a tube containing seed media (Wads Worth Broth) and then incubated at 36 ° C. for 48 hours. After incubation, diphtheria cells grown on the surface of the medium were gram-stained to determine whether they were contaminated, and then Muller En contained 2.5% (w / v) maltose (Difco) and 0.29% (w / v) casamino acid (Difco). It was inoculated in Miller medium and left to incubate for 7 days at 36 degreeC using Lux disease. After the cells were removed from the culture by Toyo # 2 filter paper, bacteria were filtered through membrane filter paper (Sartorious, 0.2 μm). This was called jotoxin.

톡신 생성을 Lf 테스트(Limit of flocculation test)를 통해 확인하였다. 단백질의 질소 함량은 킬달 방법(Kjeldahl method)으로 측정하였다.Toxin production was confirmed through the Limit of flocculation test. Nitrogen content of the protein was measured by the Kjeldahl method.

조톡신의 Lf와 단백질을 측정한 결과 Lf 함량은 100Lf/mg 이고 단백질의 농도는 702㎍/mL으로 순도는 890 Lf/mg PN이었다. 이는 뮬러 엔 밀러가 발표한 디프테리아 정치 배양 결과와 동일하였다.As a result of measuring Lf and protein of jotoxin, Lf content was 100Lf / mg, protein concentration was 702µg / mL and purity was 890 Lf / mg PN. This was the same as the results of the diphtheria politic culture published by Mueller N. Miller.

〈실시예 10〉톡신 정제Example 10 Toxin Tablets

본 발명에서는 조톡신을 사토콘-미니 U.F 시스템(Sartocon-mini U.F system,Sartorious)을 이용하여 U.F 하였다. U.F 모듈은 2종류를 사용하였는데 M.W.C.O. 100,000 모듈을 사용하여 여액을 회수한 후 이를 다시 M.W.C.O. 30.000 모듈로 10배 농축하여 톡신을 회수하였다. 버퍼는 25mM 인산용액(pH 7.5)를 사용하였으며, U.F 정제 단계별 정제도는 겔 필트레이션(gel filtration; superdex 200)을 통해 분석하였고 그 결과를 하기 표 11에 나타내었다.In the present invention, Zotoxin was U.F. using Sartocon-mini U.F system (Sartorious). Two types of U.F modules are used. M.W.C.O. The filtrate was recovered using 100,000 modules and then returned to the M.W.C.O. Toxins were recovered by concentration 10 × with 30.000 modules. As a buffer, 25 mM phosphoric acid solution (pH 7.5) was used, and the purification degree of U.F purification step was analyzed by gel filtration (gel filtration; superdex 200), and the results are shown in Table 11 below.

과정process 조톡신의 순도Purity of Jotoxin 정제된 톡신의 순도(단백질 질소의 Lf/mg)Purity of Purified Toxin (Lf / mg of Protein Nitrogen) 조톡신→U.F (M.W.C.O230.000)Zotoxin → UF (MWCO 2 30.000) 870Lf/mg PN870 Lf / mg PN 927 Lf/ mg PN927 Lf / mg PN 조톡신→U.F(M.W.C.O 30.000)→A/S 처리Zotoxin → U.F (M.W.C.O 30.000) → A / S treatment 870Lf/mg PN870 Lf / mg PN 1.447Lf/mg PN1.447 Lf / mg PN 조톡신→U.F(M.W.C.O 100,000)→U.F.(M.W.C.O 30.000)Zotoxin → U.F (M.W.C.O 100,000) → U.F. (M.W.C.O 30.000) 890Lf/mg PN890Lf / mg PN 1.300 Lf/mg PN1.300 Lf / mg PN

그 결과 순도가 1,230 Lf/mg PN로 조톡신에 비해 약 41%향상이 되었으며, 이는 낮은 농도의 A/S 처리 결과와 유사하였다.As a result, the purity was 1,230 Lf / mg PN, which is about 41% improvement compared to that of jotoxin, which is similar to the low concentration of A / S treatment.

〈실시예 11〉이온 크로마토그래피Example 11 Ion Chromatography

U.F 로 농축한 톡신은 DEAE-세파로즈 FF (Pharmacia)를 사용하여 이온 교환 크로마토그래피를 수행하였다. 칼럼은 지름 5cm 파마시아 컬럼을 사용하였으며 패킹 높이는 5cm, 패킹 볼륨은 100mL이었다.Toxins concentrated in U.F. were subjected to ion exchange chromatography using DEAE-Sepharose FF (Pharmacia). The column was a 5 cm diameter Pharmacia column with a packing height of 5 cm and a packing volume of 100 mL.

버퍼는 50 mM 트리스-Cl (pH 8.5)를 사용하였으며, 버퍼에 NaCl과 0.5 N NaOH로 다른 단백질 및 색소를 제거하였다. 우선, 톡신이 최초로 용출되는 전도도를 확인하기 위해 NaCl 구배를 걸어 실험한 결과, 하기 표 12에 나타난 바와 같이 전도도 7.7 mS/cm에서 톡신이 최초로 용출되기 시작하였으며, 전도도 10.9 mS/cm에서는 단백질은 검출되었으나 Lf는 검출되지 않았다. 따라서, 로딩 및 세척버퍼의 전도도는 6.70 mS cm이고, 유속은 8mL/분이었으며, 용출 버퍼의 전도도는 10.7mS/cm로 하였고 유속은6mL/분이었다. 또한 0.5 M NaCl 세척 버퍼의 전도도는 16.0mS/cm 이었고 유속은8mL/분이었다.50 mM Tris-Cl (pH 8.5) was used as a buffer, and other proteins and pigments were removed with NaCl and 0.5 N NaOH in the buffer. First, as a result of experiment with NaCl gradient to confirm the conductivity of toxin to be eluted for the first time, as shown in Table 12, toxin was first eluted at the conductivity of 7.7 mS / cm, and the protein was detected at the conductivity of 10.9 mS / cm. Lf was not detected. Thus, the conductivity of the loading and washing buffer was 6.70 mS cm, the flow rate was 8 mL / min, the elution buffer was 10.7 mS / cm and the flow rate was 6 mL / min. The conductivity of the 0.5 M NaCl wash buffer was 16.0 mS / cm and the flow rate was 8 mL / min.

상기 조건으로 실험을 수행한 결과, 하기 표 12에 나타난 바와 같이 4가지 피크가 관찰되었는데 시료 로딩시 DEAE-세파로즈 FF에 흡착되지 않고 용출되는 단백질과(피크 1), 전도도 10.7 mS/cm에서 용출되는 톡신(피크 2), 그리고 0.5 M NaCl에서 용출되는 단백질(피크 3)과 0.5 N NaOH에서 용출되는 단백질(피크 4)로 구분할 수 있었다.As a result of performing the experiment under the above conditions, four peaks were observed as shown in Table 12 below, and the protein eluted without being adsorbed to DEAE-Sepharose FF during sample loading (Peak 1), and eluted at a conductivity of 10.7 mS / cm. Toxins (peak 2), and proteins eluted at 0.5 M NaCl (peak 3) and proteins eluted at 0.5 N NaOH (peak 4).

분획Fraction 전도도(mS/cm)Conductivity (mS / cm) Lf/㎖Lf / ml 단백질 농도(㎍/㎖)Protein concentration (µg / ml) 순도(단백질 질소의 Lf/㎎)Purity (Lf / mg of protein nitrogen) 66 5.355.35 -- -- -- 77 6.466.46 -- 1818 -- 88 7.707.70 320320 850850 23532353 99 8.888.88 8686 228228 23572357 1010 10.9010.90 -- 7878 -- 1111 11.4611.46 -- 1111 --

네 가지 피크 중에 피크 2의 디프테리아 톡신을 제외한 피크 1, 3 및 4에서는 Lf가 측정되지 않았다. 피크 2를 회수하여 순도를 측정한 결과 순도는 2560 Lf/mg PN 이었다. 이는 콕스가 톡신 정제 후 무독화한 톡소이드의 순도 1050~2500 Lf/mg PN 과 유사한 결과이다.Lf was not measured at peaks 1, 3 and 4 except for the diphtheria toxin of peak 2 among the four peaks. The peak 2 was recovered and measured for purity. The purity was 2560 Lf / mg PN. This is a result similar to the purity of 1050-2500 Lf / mg PN of Cox detoxified after detoxification.

특히 피크 2의 톡신 회수액은 색소 성분이 거의 없는 투명한 톡신 용액이었으며, 색소 성분은 0.5 M NaCl, 0.5 N NaOH에서 용출되었다. 정제 단계별 순도 변화를 하기 표 13에 나타내었다.In particular, the toxin recovery solution of peak 2 was a transparent toxin solution with little pigment component, and the pigment component was eluted with 0.5 M NaCl and 0.5 N NaOH. Purity step by step purification is shown in Table 13.

정제단계Purification stage 순도(단백질 질소의 Lf/㎎)Purity (Lf / mg of protein nitrogen) 조톡신Zotoxin 870870 U.F(M.W.C.O. 100,000 -M.W.C.O. 30,000)U.F (M.W.C.O. 100,000-M.W.C.O. 30,000) 1,3001,300 DEAE-세파로즈 FFDEAE-Sepharose FF 2,5602,560

〈실시예 12〉톡신 무독화 및 디프테리아톡소이드 생산Example 12 Toxin Detoxification and Diphtheria Toxoid Production

상기 실시예 10에서 방법으로 정제한 톡신의 Lf를 측정한 후, 톡신정제액을 500Lf/mL이 되도록 조정하였다. Lf가 조정된 톡신용액에 0.5 % 소디움 바이카보네이트와 0.05 M 라이신, 0.5% 포르말린을 첨가한 후 pH를 7.5%로 조정하여 4주간 37℃ 항온실에 방치하여 무독화시켰다.After measuring the Lf of the toxin purified by the method in Example 10, the toxin purification liquid was adjusted to 500 Lf / mL. 0.5% sodium bicarbonate, 0.05 M lysine, 0.5% formalin was added to the L-adjusted toxin solution, and the pH was adjusted to 7.5%.

무독화 후에는 포화도가 60%가 되도록 A/S를 첨가하여 실온에 하룻밤 방치시킨 후에 7.000rpm에서 30분간 원심하여 침전을 회수하였다. 침전을 주사용수로 용해시킨후 투석막 (M.W.C.O. 1,000)에 넣고 증류수에 4일 염화나트륨액에 2일간 투석한 후 막 필터(sartorious, 0.2 ㎛)로 여과하여 디프테리아 톡소이드를 생산하였다.After detoxification, A / S was added to allow the saturation to be 60% and left at room temperature overnight, followed by centrifugation at 7.000 rpm for 30 minutes to recover the precipitate. The precipitate was dissolved in water for injection, put in a dialysis membrane (M.W.C.O.1,000), dialyzed in distilled water for 4 days in sodium chloride solution for 2 days, and filtered through a membrane filter (sartorious, 0.2 μm) to produce diphtheria toxoid.

〈실시예 13〉SDS-PAGE를 통한 분자량 확인<Example 13> Molecular weight confirmation through SDS-PAGE

톡신을 정제한 후에 무독화한 톡소이드의 정제 정도를 확인하기 위하여 SDS-PAGE를 수행하였다.After purifying the toxin, SDS-PAGE was performed to confirm the degree of purification of the detoxified toxoid.

즉, 10% SDS-폴리아크릴아마이드 겔에 시료를 로딩한 후 전기장이 12.5 V/cm가 되게 전압을 건 다음 브로모페닐 블루가 겔 끝에 갈 때까지 전기영동하였다. 전기영동이 끝난후 겔을 고정한 다음 쿠마시 브릴런트 블루 및 실버 스테이닝으로 염색한 후 탈색하여 밴드패턴을 관찰하였다.That is, after loading the sample on a 10% SDS-polyacrylamide gel, the electric field was energized to 12.5 V / cm and then electrophoresed until bromophenyl blue reached the end of the gel. After the electrophoresis, the gel was fixed, stained with Coomassie Brilliant Blue and Silver staining, and then decolorized to observe a band pattern.

그 결과 이미 알려진 디프테리아 톡신 분자량과 같은 크기인 분자량 58,500 위치에서 톡소이드 밴드가 관찰되었다.As a result, a toxoid band was observed at a molecular weight of 58,500, which is the same size as the known diphtheria toxin molecular weight.

〈실시예 14〉무독화시험<Example 14> Detoxification test

본 발명에서는 톡신정제 톡소이드가 톡신으로 복귀되는지를 확인하기 위하여무독화 시험을 수행하였다.In the present invention, a detoxification test was performed to confirm that the toxin tablet toxoid is returned to toxin.

즉, 무독화가 끝난 시료를 0.017M 인산염완충 염화나트륨액으로 희석하여 1mL중에 톡소이드를 200Lf 함유되도록 한 것과 최종 원액과 같은 농도가 되도록 하여 37℃에서 20일간 방치한 후 체중 300~400g의 기니아-피그 4마리를 사용하여 5mL씩 피하주사 한 후 30일간 관찰하였다.That is, the detoxified sample was diluted with 0.017M phosphate-buffered sodium chloride solution to contain 200 Lf of toxoid in 1 mL and the same concentration as the final stock solution, and left at 37 ° C. for 20 days, followed by 300-400 g of guinea-pig 4 5 mL each was used for subcutaneous injection and observed for 30 days.

이 사이에 어느 동물도 독소에 의한 중독사, 괴사, 마비등의 중독증상, 현저한 체중감소, 기타의 이상이 관찰되지 않았다. 따라서, 포르말린과 라이신을 이용한 본 발명의 무독화 방법은 적합한 방법이라 판단된다.In the meantime, no toxin poisoning, necrosis, paralysis and other poisoning symptoms, significant weight loss, and other abnormalities were observed. Therefore, the detoxification method of the present invention using formalin and lysine is considered a suitable method.

〈실시예 15〉항원성의 확인<Example 15> Confirmation of antigenicity

톡신 정제 톡소이드의 항원성 확인과 조톡신을 무독화한 후 정제한 톡소이드의 항원성을 비교하기 위해 옥털로니 이중 면역확산법(Ouchterlony double immunodifusion, 이하 'I.D'로 약함)을 수행하였다.Toxin confirmation of the toxin and detoxification of the toxin after detoxification of the toxin, an oxterlony double immunodifusion method (weakly referred to as 'I.D') was performed.

우선, 아가로스(Sigma)를 1%가 되도록 0.07M barbital buffer(pH 8.6)에 가열하여 녹인 후 페트리디쉬에 넣어 굳혔다. 2cm 간격으로 구멍을 뚫어 항톡신(WHO 디프테리아 항톡신) 4 IU와 디프테리아 톡소이드 2 Lf을 넣은 후 습윤챔버(humidity chamber)에 넣고 37℃에서 36시간 반응시켰다. 아가 겔(Agar gel)을 쿠마시 브릴런트 블루(coomassie brilliant blue)로 염색한 후에 탈색하여 톡소이드와 디프테리아 항톡신이 반응한 침강선을 관찰하였다.First, agarose (Sigma) was dissolved in 0.07M barbital buffer (pH 8.6) to 1% and dissolved in Petri dishes. Holes were punched at 2 cm intervals to add anti-toxin (WHO diphtheria antitoxin) 4 IU and diphtheria toxoid 2 Lf, and then placed in a humidity chamber for 36 hours at 37 ° C. Agar gel was stained with Coomassie brilliant blue and decolorized to observe sedimentation lines reacted with toxoid and diphtheria antitoxin.

그 결과 톡신정제 톡소이드와 톡소이드정제 톡소이드 모두 디프테리아 항톡신에 반응하였고, 또한 같은 위치에서 침강선이 관찰되었다(도 2 참조).As a result, both the toxin tablet toxoid and the toxoid tablet toxoid responded to diphtheria antitoxin, and a sedimentation line was observed at the same position (see FIG. 2).

〈실시예 16〉역가 시험<Example 16> Activity test

그러나 두 톡소이드 중 어느 톡소이드가 항원성이 더 우수한 지는 I.D로 확인이 안 되기 때문에 디프테리아 역가 시험을 수행하였다.However, the diphtheria titer test was performed because it was not confirmed by I.D which of the two toxoids had better antigenicity.

조톡신을 무독화한 후 정제한 톡소이드와 톡신정제 후 무독화한 톡소이드를 알루미늄 하이드록사이드 겔 아쥬반트에 흡착시켜 300~400g의 기니아-피그에 0.75mL 씩 피하 주사한 후 4주간 면역 시켰다. 면역 후 혈청을 채취해 표준톡신 1L+(녹십자)와 중화시켜 이를 230~280g의 기니아-피그에 2ml씩 피하 주사한 후 12시간단위로 120시간 동안 생존 여부를 관찰하여, 그 결과를 하기 표 14에 나타내었다.After detoxifying zotoxin and purified toxoid after detoxification, the detoxified toxoid was adsorbed onto aluminum hydroxide gel adjuvant, and subcutaneously injected with 0.75 mL of 300-400 g of guinea-pig and immunized for 4 weeks. After immunization, the serum was collected, neutralized with standard toxin 1L + (green cross), and subcutaneously injected into 230-280 g of guinea-pig, 2 ml each time, and the survival was observed for 12 hours. The results are shown in Table 14 below. Indicated.

과정process 순도(단백질 질소Lf/mg)Purity (Protein Nitrogen Lf / mg) 역가(IU/mL)Titer (IU / mL) 회귀return 톡소이드정제 톡소이드Toxoid Tablets Toxoid 20002000 33 00 톡신정제 톡소이드Toxin Tablet Toxoid 15601560 33 00

톡신정제 톡소이드의 경우 2,3단위에서 모두 생존하는 결과를 보인 반면, 조톡신을 무독화한 후에 정제한 톡소이드의 경우 2단위에서는 모두 생존하였으나 3단위에서 72시간째 1마리가 사망하는 결과를 보였다. 따라서 역가는 톡신정제 톡소이드가 조톡신을 무독화한 후 정제한 톡소이드 보다 더 우수한 결과를 나타내었다. 즉, 조톡신을 무독화한 후 U.F 농축, A/S 처리 및 겔 필트레이션을 통해 톡소이드를 회수한 톡소이드와 톡신 정제 톡소이드를 비교한 결과 하기 표 15에서와 같이 순도 및 역가에서 톡신정제 톡소이드가 우수하였다.In the case of the toxin tablet toxoid, it survived at 2,3 units, whereas the purified toxoid after detoxification of the toxin was survived at 2 units, but one of them died at 3 hours and 72 hours. . Therefore, the titer of the toxin tablet toxoid showed better results than the purified toxoid after detoxifying the toxin. That is, after detoxifying the toxin, the toxin was recovered from the toxoid through UF concentration, A / S treatment, and gel filtration. It was.

혼합mix 희석율Dilution rate 관찰시간(죽은 돼지수/실험돼지수)Observation time (dead pigs / experimental pigs) 2424 4848 7272 9696 120120 표준항톡신+표준톡신Standard Antitoxin + Standard Toxin 1 IU/mL1 IU / mL 0/20/2 2/22/2 톡신정제 톡소이드의 항톡신+표준톡신Antitoxin + Standard Toxin of Toxin Tablet ×2× 2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 ×3× 3 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 톡소이드정제 톡소이드의 항톡신+표준톡신Antitoxin + Standard Toxin of Toxoid Tablet ×2× 2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 0/20/2 ×3× 3 0/20/2 0/20/2 1/21/2 1/21/2 1/21/2

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 디프테리아의 배양방법으로 디프테리아균주를 배양하면 고순도의 톡신을 대량으로 제조하는 것이 가능하고, 또한 이러한 디프테리아 톡신을 본 발명에 따라 이중 U.F. 및 이온 교환 크로마토그래피를 통하여 고순도로 정제한 후 무독화시키면 안정한 고순도의 톡소이드를 제조하는 것이 가능하다.As described above, by culturing the diphtheria strain by the cultivation method of diphtheria according to the present invention, it is possible to prepare a high purity toxin in large quantities, and further, such a diphtheria toxin according to the present invention is a double U.F. And detoxification after purification with high purity through ion exchange chromatography, it is possible to produce a stable high purity toxoid.

따라서 본 발명의 방법은 안전성이 개선된 고순도의 디프테리아 백신 및 성인용 디프테리아 백신의 제조에 유용하게 이용될 수 있다.Therefore, the method of the present invention can be usefully used for the preparation of high purity diphtheria vaccines and adult diphtheria vaccines with improved safety.

Claims (7)

a) 질소원으로 카제인 효소분해 산물을 이용하고 철 이온 농도를 0.7 mg/L 이하로 첨가한 배지가 포함된 교반속도 200-500 rpm의 발효조에서 코리네박테리움 디프테리아를 배양하는 단계;a) culturing Corynebacterium diphtheria in a fermenter at a stirring rate of 200-500 rpm using a casein enzymatic product as a nitrogen source and adding a medium with iron ion concentration of 0.7 mg / L or less; b) 상기 배양액에서 여과지로 균체를 제거한 후 디프테리아 톡신을 회수하는 단계를 포함하는 디프테리아 톡신의 제조방법.b) a method for producing diphtheria toxin, which comprises recovering diphtheria toxin after removing the cells from the culture medium with a filter paper. 제 1 항에 있어서, 상기 a) 단계의 카제인 효소분해 산물은 함유 아미노산의 평균 분자량이 400달톤 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the casein enzymatic product of step a) has an average molecular weight of at least 400 Daltons of amino acids. 제 1 항에 있어서, 상기 a) 단계의 배지의 초기 pH는 6.5-7.5 범위내인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the initial pH of the medium of step a) is in the range of 6.5-7.5. 삭제delete a) 디프테리아 균주가 생산한 톡신을 이중 한외여과하는 단계;a) double ultrafiltration of the toxin produced by the diphtheria strain; b) 여과된 톡신으로 이온 교환 크로마토그래피를 수행하여 정제하는 단계; 및b) purifying by performing ion exchange chromatography with filtered toxin; And c) 정제된 톡신을 무독화하는 단계를 포함하는 무독화된 디프테리아 톡소이드의 제조방법.c) a method for preparing detoxified diphtheria toxoid comprising detoxifying the purified toxin. 제 5 항에 있어서, 상기 a) 단계의 이중 한외여과는 분자량 컷오프 100,000 모듈 및 분자량 컷오프 30.000 모듈을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.6. The method of claim 5, wherein the dual ultrafiltration of step a) uses a molecular weight cutoff of 100,000 modules and a molecular weight cutoff of 30.000 modules. 제 5 항에 있어서, 상기 c) 단계의 톡신의 무독화는 라이신을 처리한 후에 포르말린을 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.6. The method according to claim 5, wherein the detoxification of the toxin of step c) is followed by formalin treatment after lysine treatment.
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