WO2003055411A2 - Implantierbare vorrichtung und deren verwendung - Google Patents

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WO2003055411A2
WO2003055411A2 PCT/EP2002/013438 EP0213438W WO03055411A2 WO 2003055411 A2 WO2003055411 A2 WO 2003055411A2 EP 0213438 W EP0213438 W EP 0213438W WO 03055411 A2 WO03055411 A2 WO 03055411A2
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WO
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implantable device
cells
gene product
capsule
biologically active
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Thomas Brinker
Burkhard Schlosshauer
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NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K48/00—Medicinal preparations containing genetic material which is inserted into cells of the living body to treat genetic diseases; Gene therapy
    • A61K48/005—Medicinal preparations containing genetic material which is inserted into cells of the living body to treat genetic diseases; Gene therapy characterised by an aspect of the 'active' part of the composition delivered, i.e. the nucleic acid delivered
    • A61K48/0066—Manipulation of the nucleic acid to modify its expression pattern, e.g. enhance its duration of expression, achieved by the presence of particular introns in the delivered nucleic acid
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61K48/0058—Nucleic acids adapted for tissue specific expression, e.g. having tissue specific promoters as part of a contruct

Definitions

  • the invention relates to an implantable device for cells and the use of cells for producing an implant.
  • Such implants are used, for example, in gene therapy, for the prevention and treatment of cancer, for the treatment of pathological cells and of acute or chronic pain in the central nervous system of mammals.
  • Such implants are used in particular for diseases which can be influenced by treatment with secreted substances such as, for example, hormones or neuroactive substances such as, for example, neuropeptides.
  • secreted substances such as, for example, hormones or neuroactive substances such as, for example, neuropeptides.
  • Such secretion substances are produced by certain cells and either influence other cells or their own metabolism.
  • neurodegenerative diseases such as Parkinson's dopamine or dopamine derivatives.
  • Pain pumps are used, which are implanted in the fatty tissue of the abdominal wall and filled with opiates from the outside through an elastic membrane using a syringe.
  • the opiate enters the cerebrospinal fluid space via a catheter, whereby the drug delivery can be controlled from the outside via electromechanical systems.
  • this pain pump Compared to the systemic administration of medication, this pain pump has the advantage that higher efficacy can be achieved simultaneously with the use of low doses, since the drug is used directly on the target organ.
  • this object is achieved according to the invention by an implantable device having cells which produce a preferably biologically active gene product when electrostimulated.
  • a preferably biologically active gene product can be produced quickly in a targeted manner. It is not necessary to give the patient additional agents / medications, since the expression of a gene in a gene product is induced by electrostimulation. Depending on the position of the implantable device, the gene product can thus be secreted directly at the desired site of action.
  • biologically active gene product includes the large group of neuropeptides, including, for example, neuromodulators which act on neurons and can modulate their action, e.g. the endorphins, encephalins, dynorphins which belong to the opiates.
  • the "biologically active” gene products also include growth factors, such as the nerve growth factor, the brain-derived growth factor, furthermore hormones, enzymes, antibodies, cytokines, differentiation factors, growth and protease inhibitors, fusion proteins, "truncated proteins” and the like.
  • the implantable device has an electrode system.
  • electrical stimulation can act directly on the cells of the implantable device.
  • the electrical stimuli to be applied can thus be controlled externally.
  • a commercial system for example from Medtronic, which works with percutaneous control, is preferably used as the electrode system, or the electromagnetic path is selected by means of wireless signal transmission.
  • the implantable device is designed in such a way that the cells are contained in a capsule which preferably contains an embedding matrix and which is wholly or partly semipermeable.
  • the capsule must be designed in such a way that diffusion of nutrients and metabolic (end) products is permitted, but diffusion of larger molecules of the immune system is restricted and contact with immunocompetent cells is prevented.
  • the capsule is biodegradable.
  • Body tolerance and body resistance are important prerequisites for good biocompatibility.
  • materials are used that do not change their chemical or physical properties during implantation. drive. Materials are also suitable that do not damage or impair the tissue of the implant site in any way.
  • the capsule contains a material which is selected from the group comprising polysulfone or alginate.
  • materials such as polyurethane, polyamide, polystyrene, etc. or copolymers thereof are also suitable.
  • suitable polymers are known in the prior art which can be used with regard to the present invention.
  • the material of the capsule has a defined exclusion limit, preferably inhibits cell passage and preferably has an exclusion molecular weight of 10 to 100 kDa.
  • the cell types are said to have a specific "second messenger system", which enables the intracellular flow of information from the cell membrane to the gene:
  • second messenger cascade
  • various enzymes and / or factors are activated and / or deactivated, as a result of which different processes in a cell are triggered or regulated.
  • Such processes are, for example, the transcription of genes or the degradation or remodeling of proteins, the secretion of cell constituents, etc.
  • the Zeil line MKN 45 is one of the non-neuronal Zeil lines that can be stimulated to increase protein synthesis by electrostimulation.
  • Koijama, J. et al., "Electrically Promoted Protein Production by Mammalian Cells cul- tured on the Electrode Surface ", Biotechnol. Bioeng. 39: 27-32 (1992) used this cell line by electrostimulation to synthesize the carcinoembryo antigen (CEA).
  • CCA carcinoembryo antigen
  • the cells with typical neuronal channel properties include, for example, the cell lines PC 12, P 19 and human SH-SY cells. Studies with these cells are by Hagihara, Y. et al., "Transplantation of Xenogenic Cells Secreting beta-Endorphin for Pain Treatment: Analysis of the Ability of Components of Complement to Penetrate through Polymer Capsules", Cell Transplant. 6: 527-530 (1997).
  • xenogeneic cells can be used as non-autologous cells. This is advantageous if donor tissue of the same species is only available to a limited extent.
  • the therapeutic gene product is a neuropeptide or a precursor of a neuropeptide.
  • the gene product is a growth factor or is a precursor to a growth factor, an antibiotic, an antibody, a cell-causing protein or a differentiation factor.
  • Growth factors modulate cell growth and differentiation; for example Wound healing and regeneration are always associated with the resurgence of growth processes.
  • Cell death-inducing proteins can be used specifically to kill certain cells, such as inoperative, harmful, improperly developed cells, etc.
  • the differentiation factors include not only interleukins and interferons, for example, which differentiate B cells stimulate, but also factors that stimulate neuronal cells to grow and differentiate, etc.
  • the gene product is a reporter gene product, preferably selected from the group consisting of chloramphenicol acetyl transferase, luciferase, green fluorescent protein, ⁇ -galactosidase or alkaline phosphatase. Reporter gene products of this type are particularly advantageous when carrying out analytical or diagnostic uses, since, for example, the amount of a gene product produced can be easily measured.
  • the biologically active gene product is secreted.
  • the gene product gets from the producing cells directly into their surroundings, where it can have an immediate effect.
  • Retroviral vectors are advantageous because other viral vectors may Cause side effects; so solve e.g. Adenoviruses may cause local immune reactions, herpes simplex viruses may show Neurotoxicity and immunogenicity.
  • the expression vector LXSN is preferably used. This vector has been found to be particularly useful in medical research.
  • the genetically modified cells have at least one electrostimulable regulator sequence and at least one coding sequence which is directly or indirectly under the control of the regulator sequence Transcription area, hereinafter referred to as "gene” or "target gene”.
  • the target gene can also be under indirect control. This is the case, for example, when the expression of a second transcription factor is electrically induced, and this factor induces the expression of the target gene by binding to a second regulatory sequence.
  • This double cascade serves among other things signal amplification in order to achieve increased expression of the target gene.
  • the molecular mechanism for activating this promoter begins with the opening of voltage-dependent calcium channels in the cell membrane after stimulation and via a subsequent second messenger cascade.
  • Activated transcription factors bind to two promoter elements of the BDNF promoter, whereby the expression of the gene downstream of the promoter is started. This means that the promoter can be switched on by electrostimulation.
  • the implantable device is introduced into an organism, preferably into the brain, spinal cord or cerebrospinal fluid space.
  • This "on site" secretion advantageously avoids the problem of the instability of the peptides and the problem of the blood-brain barrier.
  • implantable device When the implantable device is used in an organism, for example, gene products for the treatment of pain conditions, metabolic disorders, tumors, and / or immune diseases can be produced directly in the organism for diagnostic purposes or for analytical purposes in the non-medical field.
  • Figure 1 is a schematic representation of an implantable device according to the invention in the cerebrospinal fluid space of a patient, shown partially enlarged.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the activation of the electro-stimulable promoter.
  • a head of a patient with brain 11 and spinal cord 12 is shown at 10.
  • CSF flows around the brain 11 and spinal cord 12 in the CSF space 13.
  • An implant 14 is inserted into the CSF space 13.
  • the implant 14 has a tubular capsule 15 and cells 16 contained therein. Electrodes 18 are also integrated into the capsule 15, which has a semi-permeable membrane 17.
  • the CSF space 13 is punctured and then the implant 14 is inserted into this CSF space 13 through a guide cannula.
  • This surgical procedure corresponds completely to today's methods for catheter implantation in the spinal space.
  • the implants 14 are tubular encapsulated and have an outer diameter of less than 1 mm.
  • the connecting wires of the implant 14 can be pulled forward through the subcutaneous fatty tissue into the abdominal wall, where a stimulator unit is also used subcutaneously surgically. Such units are already commercially available for various nerve stimulators.
  • the implant 14 contains the tubular capsule 15, into which the cells 16 are inserted.
  • the semipermeable membrane 17 allows diffusion of nutrients and metabolic (end) products, but diffusion of larger molecules of the immune system is restricted and contact with immunocompetent cells is also prevented.
  • Commercially available products that have already been used successfully in other projects are used for the encapsulation.
  • a polymer tube made of polysulfone (Amicon Corp., USA) is suitable here, which can be closed at the ends by the action of heat.
  • the electrodes 18 are introduced over the ends of the polymer tube and are then welded in again by the action of local heat.
  • the tube is closed on the one hand and the electrodes are fixed on the other.
  • microencapsulation using alginate is used: Thorsen, F. et al., "Alginate Encapsulated Producer Cells: A potential new approach for the treatment of brain tumor", Cell Transplant. 9: 773-783 (2000), successfully used alginate-encapsulated cells as implants in animal experiments.
  • the encapsulation must not impair the growth of the cells in culture, and care must also be taken to ensure that the encapsulation matrix is not lesioned.
  • the cells 16 are immobilized in the capsules 15 between the electrodes, and the gene product induced by electrostimulation penetrates the capsule matrix and thus reaches the CSF space 13.
  • the activation of the electrostimulable promoter is shown schematically in FIG.
  • Calcium ions 20 reach the cell interior 22 via the cell membrane 21, where they bind to calmodulin molecules 23.
  • the calmodulin molecules 23 are brought into an active state 24 by the binding of calcium ions 20 and combine with the molecule of the calmodulin kinase 25 to form the activated calmodulin kinase molecule 26.
  • This activated kinase 26 in turn activates a transcription factor 27 which, in addition to another Transcription factor 28 binds to the electrostimulable promoter 29 in the cell nucleus 30.
  • the promoter 29 has two regions 31 and 32 to which the transcription factors 27 and 28 bind.
  • the electrostimulable promoter 29 is thereby activated, whereby the expression of the downstream gene 33 is started.
  • This influx of calcium triggers the previously described second messenger cascade, in which calcium 20, among other things, binds to a calmodulin molecule 23.
  • Calmodulin is an intracellular calcium receptor, binding calcium changes the conformation of calmodulin, and calcium modifies it into an allosterically activated form 24.
  • This activated form 24 itself has no enzyme activity, but binds to other proteins, which in turn changes their activity.
  • the calcium / calmodulin complex 24 then binds to the calcium / calmodulin-dependent protein kinase (CaM kinase) 25 and puts it in the activated state 26.
  • This activated form of the CaM kinase 26 phosphorylates amino acid residues of the transcription factor CREB (cAMP- Response Element Binding Protein) 27, which in addition to a second transcription factor 28 in the cell nucleus 30 bind to certain promoter regions of the electrostimulable promoter 29.
  • CREB cAMP- Response Element Binding Protein
  • the transcription factor CREB 27 binds to the promoter region 31, the so-called cAMP response element (CRE), the transcription factor 28 to the promoter region 32, the so-called cAMP response sequence (CRS-I) of the BDNF exon III promoter.
  • CRE cAMP response element
  • CRS-I cAMP response sequence
  • This promoter system has, for example, the advantage over factor-dependent promoter systems that the route via the electrical stimulation is low in side effects, faster and more efficient than these factor-dependent promoter systems.

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Abstract

Es wird eine implantierbare Vorrichtung mit Zellen beschrieben, die bei Elektrostimulation ein vorzugsweise biologisches Genprodukt produzieren. Eine solche Vorrichtung kann zur Behandlung von Schmerzzuständen, Stoffwechselerkrankungen, Tumoren und/oder Immunerkrankungen, zu diagnostischen Zwecken oder zu analytischen Zwecken im nicht-medizinischen Bereich verwendet werden.

Description

Implantierbare Vorrichtung und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine implantierbare Vorrichtung für Zellen und die Verwendung von Zellen zur Herstellung eines Implantats.
Implantierbare Vorrichtungen in Kombination mit Zellen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Sie werden bspw. in der Gentherapie, zur Prävention und Behandlung von Krebs, zur Behandlung von krankhaften Zellen und von akutem oder chronischem Schmerz im zentralen Nervensystem von Säugern eingesetzt. Insbesondere werden derartige Implantate bei Krankheiten eingesetzt, die durch die Behandlung mit sekretierten Substanzen wie bspw. Hormone oder neuroaktive Substanzen wie z.B. Neuropepti- de, beeinflußt werden können. Solche Sekretionssubstanzen werden von bestimmten Zellen produziert und beeinflussen entweder andere Zellen oder aber ihren eigenen Metabolismus.
Bei vielen Krankheiten ist das betroffene Organ oder Gewebe, das normalerweise verantwortlich ist für die Kontrolle und/oder den Erhalt eines bestimmten Levels an spezifischen Metaboliten, in seiner Funktion gestört. Bei solchen Störungen dieser Organe kann die Kontrolle und/oder die Produktion von essentiellen Substanzen lebensbedrohlich beeinträchtigt sein.
So werden z.B. bei der Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson Dopamin oder Dopaminderivate eingesetzt.
Die Tatsache, daß Endorphin-sekretierende Neurone und Opiat- Rezeptoren in Schmerz-verarbeitenden Regionen des Rückenmarks gehäuft vorliegen und daß die Verabreichung von Opiaten in das Rückenmark eine Schmerzlinderung hervorruft, zeigen die bedeutende Rolle von Opiat-ähnlichen Peptiden bei der Beeinflussung der Schmerzleitung.
Starke Schmerzen beeinträchtigen massiv die Lebensqualität betroffener Individuen, weshalb der Schmerztherapie eine besondere Rolle bei der Behandlung von mit Schmerzen verbundenen Krankheiten zukommt. Diese schweren Schmerzzustände betreffen u.a. Patienten mit Krebs, AIDS, Rückenproblemen, Rückenmarksverletzungen und viele Diabetiker. Deshalb kann es bei sehr starken Schmerzen vorteilhaft sein, das Schmerzmittel nahe ans Rückenmark zu bringen. So werden bspw. zur Behandlung schwerer, sonst nicht beherrschbarer Schmerzzustände kontinuierliche Infusionen von Opiaten in den Liquorraum angewendet. Dazu werden sogenannte "Schmerzpumpen" eingesetzt, die in das Fettgewebe der Bauchdecke implantiert und von außen durch eine elastische Membran mittels einer Spritze mit Opiaten gefüllt werden. Über einen Katheter gelangt das Opiat in den Liquorraum, wobei die Medikamentenabgabe von außen über elektromechanische Systeme gesteuert werden kann.
Gegenüber der systemischen Medikamentenverabreichung hat diese Schmerzpumpe den Vorteil, daß gleichzeitig mit dem Einsatz von niederen Dosen eine höhere Wirksamkeit erzielt werden kann, da das Pharmakon direkt am Zielorgan eingesetzt wird.
Nachteilig an dieser Opiattherapie sind gewöhnungsbedingte Dosissteigerungen bis zu 160 % pro Woche, außerdem zeigt sich nicht selten eine Ausbildung von Toleranz gegenüber diesem Pharmakon. Ein großes Problem sind außerdem die Nebenwirkungen, zu denen bspw. eine erhebliche Obstipation, Atemdepressivität, gegebenenfalls eine Steigerung des Hirndrucks und Spasmen im Magen- und Darmtrakt zählen. Nicht zuletzt treten im Zusammenhang mit derartigen Schmerzpumpen mechanische Komplikationen auf, die die Schmerzbehandlung nachteilig beeinflussen.
Im Zuge dessen forderten Lazorthes, Y. et al., "Human Chromaffin cell graft into the CSF for cancer pain management; a prospective phase II study" , Pain 87:19-32 (2000), Zelltransplantate zur Freisetzung endogener analgetischer Faktoren direkt in den Liquorraum einzusetzen. Dabei sind insbesondere Endorphine und Enkephaline interessant, eine Gruppe körpereigener Proteine, die sich wie das Morphin an die Rezeptoren der Zellen ankoppeln und hauptsächlich schmerzstillend wirken. Eine schmerzhemmende Wirkung von Endorphinen wird selbst dann noch beobachtet, wenn nach chronischer Morphinexposition bereits eine Toleranz gegen Morphin ausgebildet ist.
Da Endorphine äußerst instabil sind und damit nur sehr kurz als wirksame Agentien vorliegen, sind sie für einen routinemäßigen Einsatz, bspw. als Opiat-Alternative bei Infusionen, nicht geeignet.
Decosterd, I. et al., "Intrathecal Implants of Bovine Chromaffin Cells Allodynia in a Rat Model of Neuropathie Pain", Pain 76: 159-166 (1998), zeigten in tierexperimentellen Studien, daß bei einer Implantation von Zellen (sogenannte "chromaffine" Zellen) des Nebennierenmarks in den Liquorraum analgetisch wirkende Substanzen freigesetzt werden.
Sagen, J. et al., "Transplants of Immunologically Isolated xe- nogenic Chromaffin Cells Provide a long-term Source of Pain- Reducing Neuroactive Substances", J. Neurosci. 13:2415-2423 (1993), kapselten 5.000 Zellen in semipermeable Fasern ein, implantierten sie in den subarachnoidalen Raum und konnten eine Produktion von ca. 500 pg/h Met-Enkephalin nachweisen.
Joseph J.M. et al., "Transplantation of Encapsulated Bovine Chromaffin Cells in the Sheep Subarachnoid Space: A Preclinical Study for the Treatment of Cancer Pain", Cell Transplant. 3:355-364 (1994), gelang es, funktioneile, eingekapselte xeno- gene chromaffine Zellen in den Liquorraum von Schafen erfolgreich zu transplantieren.
Buchser, E. et al., "Immunoisolated xenogenic Chromaffin Cell Therapy for Chronic Pain. Initial Clinical Experience", A- naesthesiology 85:1105-1012 (1996) führten im Menschen Studien mit chromaffinen Zellen des Nebennierenmarks durch, die bei der Mehrzahl der untersuchten Patienten eine Schmerzlinderung ergab. In der Fortführung der Studie konnte jedoch kein signifikanter Effekt nachgewiesen werden.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß bei einer Transplantation solcher primären Nebennierenzellen für jeden Patienten erneut Zellen isoliert werden müssen, was mit einem hohen Aufwand verbunden ist.
Andere Ansätze zielten daher auf die Verwendung von gentechnisch veränderten Zellen ab. Bei diesem gentechnischen Ansatz werden dem Patienten Zellen entnommen und ex vivo gentechnisch manipuliert, um die Expression eines therapeutisch relevanten Proteins zu forcieren, und die Zellen anschließend wieder zu reimplantieren.
Die Expression der therapeutischen Genprodukte erfolgt hier meist nicht kontrollierbar; bei kontrollierbaren Systemen, bspw. Faktor-regulierten Systemen, wird die Expression der therapeutischen Genprodukte nur dann induziert, wenn dem Patienten zusätzlich bestimmte Faktoren, bspw. in Form von Medikamenten, wie Tetracyclin-Derivate, verabreicht werden. Nachteilig an dieser Induktion ist, daß sie sehr langsam erfolgt und für eine maximale Wirkung einen längeren Zeitraum benötigt. Außerdem ist die ständige Belastung mit den Medikamenten nachteilig und von Nebenwirkungen begleitet, wodurch u. a. Leberschaden verursacht werden können.
Als weiterer Nachteil stellte sich heraus, daß in vivo bei einer Faktor-regulierten Induktion über mehrere Tage hinweg eine Deregulation eintritt. Darüber hinaus wird an Induktionsmedikamente, die bei solchen Faktor-regulierten Systemen eingesetzt werden, die besondere Anforderung gestellt, die Blut-Hirn- Schranke passieren zu können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine implantierbare Vorrichtung mit Zellen bereitzustellen, die biologisch aktive Faktoren exprimieren, wobei die Expression der biologisch aktiven Faktoren unter Vermeidung der oben genannten Nachteile induziert werden kann.
Gemäß der eingangs genannten implantierbaren Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine implantierbare Vorrichtung mit Zellen gelöst, die bei Elektrostimulation ein vorzugsweise biologisch aktives Genprodukt produzieren.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung von Zellen zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung, wobei die Zellen ein therapeutisches, diagnostisches oder analytisch verwendbares Genprodukt produzieren.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung von derartigen Zellen zur Herstellung einer implantierbaren Vorrichtung, und durch die Verwendung eines DNA-Moleküls zur Herstellung derartiger Zellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß auf schnellem Weg gezielt ein vorzugsweise biologisch aktives Genprodukt produziert werden kann. Dabei ist es nicht notwendig, dem Patienten zusätzlich Mittel/Medikamente zu verabreichen, da die Expression eines Gens in ein Genprodukt durch Elektrostimulation induziert wird. Das Genprodukt kann - je nach Lage der implantierbaren Vorrichtung - somit direkt am erwünschten Wirkort sekretiert werden.
Der Begriff "biologisch aktives Genprodukt", wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, schließt dabei die große Gruppe der Neuropeptide mit ein, darunter fallen bspw. Neuromo- dulatoren, die auf Neuronen wirken und deren Aktion modulieren können, wie z.B. die zu den Opiaten zählenden Endorphine, En- kephaline, Dynorphine. Zu den "biologisch aktiven" Genprodukten zählen außerdem Wachstumsfaktoren, wie z.B. der Nervenwachs- tumsfaktor, der Brain-Derived Growth Factor, weiterhin Hormone, Enzyme, Antikörper, Cytokine, Differenzierungsfaktoren, Wachstums- und Proteaseinhibitoren, Fusionsproteine, "truncated pro- teins" und dergleichen.
Die Aufzählung dieser biologisch aktiven Genprodukte ist lediglich beispielhaft, die Erfindung bezieht auch andere Genprodukte mit ein, die eine modulierende oder therapeutische Wirkung auf einen Organismus haben. Daneben können aber auch nicht biologisch aktive Genprodukte produziert werden, die analytischen oder diagnostischen Zwecken dienen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die implantierbare Vorrichtung ein Elektrodensystem auf.
Mittels eines in der implantierbaren Vorrichtung enthaltenen Elektrodensystems kann eine Elektrostimulation direkt auf die Zellen der implantierbaren Vorrichtung wirken. Die anzulegenden elektrischen Reize können somit extern gesteuert werden.
Die dazu zu verwendenden Elektrodenimplantate stellen bspw. als Herzschrittmacher gängige Praxis dar. Volkamnn, J. et al. , "Bilateral High-Frequency Stimulation of the Internal Globus Pal- lidus in Advanced Parkinson' s Disease", Ann. Neurol. 44:953-961 (1998), konnten Hirnstimulatoren bei Parkinson Patienten erfolgreich einsetzen.
Vorzugsweise wird als Elektrodensystem ein kommerzielles System (bspw. der Firma Medtronic) verwendet, das mit perkutaner Ansteuerung arbeitet, oder es wird mittels einer drahtlosen Signalübertragung der elektromagnetische Weg gewählt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die implantierbare Vorrichtung derart gestaltet, daß die Zellen in einer Kapsel enthalten sind, die vorzugsweise eine Einbettmatrix enthält, und die ganz oder teilweise semipermeabel ist.
Durch Einbringen der Zellen in eine Kapsel mit einer Einbettmatrix ist es möglich, die implantierbare Vorrichtung einfach zu handhaben. Die Kapsel muß dabei so geschaffen sein, daß eine Diffusion von Nährstoffen und StoffWechsel (end)Produkten zugelassen, eine Diffusion größerer Moleküle des Immunsystems jedoch beschränkt und außerdem ein Kontakt mit immunokompetenten Zellen verhindert wird.
Nach einer Elektrostimulation gelangt das exprimierte Genprodukt aus den Zellen über eine Membran der Kapsel in die unmittelbare Umgebung des Implantats. Je nach Einsatz des Implantats gelangt somit das Genprodukt auch bei Verwendung einer Kapsel direkt an den Wirkort.
Die Genprodukte müssen somit nicht erst längere Wege im Patientenkörper zurücklegen, um an ihren Zielort zu gelangen, was besonders für die Expression von instabilen Genprodukten vorteilhaft ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kapsel biologisch abbaubar.
Biologisch abbaubare Materialien im Zusammenhang mit implantierbaren Vorrichtungen sind seit längerem bekannt und erprobt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Kapsel biologisch inert und dauerhaft stabil.
Körperverträglichkeit und Körperbeständigkeit sind wichtige Voraussetzungen für eine gute Biokompatibilität. Dazu werden Materialien verwendet, die bei einer Implantation keine Änderungen ihrer chemischen oder physikalischen Eigenschaften er- fahren. Außerdem sind Materialien geeignet, die das Gewebe des Implantatlagers in keiner Weise schädigen oder beeinträchtigen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Kapsel ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Polysulfon oder Alginat.
In der Biotechnologie und der Medizin sind diese Materialien bewährt: so werden Alginate zum Einschluß von Zellen eingesetzt. Polysulfone und Alginate weisen eine ausgezeichnete Biokompatibilität auf.
Darüber hinaus sind aber auch Materialien wie Polyurethan, Polyamid, Polystyren, etc. oder Copolymere davon geeignet. Im Stand der Technik sind eine Reihe von geeigneten Polymeren bekannt, die im Hinblick auf die vorliegende Erfindung eingesetzt werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Material der Kapsel eine definierte Ausschlußgrenze, hemmt vorzugsweise den Zelldurchtritt und weist vorzugsweise ein Ausschlußmolekulargewicht von 10 bis 100 kDa auf.
Kapseln mit definierter Ausschlußgrenze sind kommerziell erhältlich und im medizinischen Bereich erprobt. So können die Zellen bspw. in PM30-Polysulfonsäurekapseln (Amicon Corp. , USA) mit einem Ausschlußmolekulargewicht von 30 kDa eingebracht werden oder in K6305-Polysulfonsäurekapseln (Koraray Corp., USA) mit einem Ausschlußmolekulargewicht von 15 kDa. Hagihara, Y. et al., "Transplantation of Xenogenic Cells Se- creting beta-Endorphin for Pain Treatment: Analysis of the Ability of Components of Complement to Penetrate through Polymer Capsules, Cell Transplant. 6:527-530 (1997), konnten überdies zeigen, daß sich die Verwendung von zwei ineinander gesteckten Polymer-Kapseln für den Einsatz als Implantat als geeignet erwies .
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zellen der implantierbaren Vorrichtung ausgewählt aus der Gruppe enthaltend nicht-neuronale Zellen, Zellen mit neuronalen Kanaleigenschaften, isolierte Primärzellen, Zellinien oder Stammzellabkömmlinge.
Die Zelltypen sollen ein spezifisches "second messenger System" besitzen, wodurch der intrazelluläre Informationsfluß von der Zellmembran zum Gen ermöglicht wird: Bei einer elektrischen Reizung von Zellen werden deren Zellmembranen depolarisiert, wodurch u.a. ein Calcium-Einstrom in die Zellen stattfindet, der eine spezifische Signalkaskade ("second messenger" Kaskade) aktiviert. Im Zuge dieser Signalkaskade werden verschiedene Enzyme und/oder Faktoren aktiviert und/oder deaktiviert, wodurch unterschiedliche Prozesse in einer Zelle ausgelöst oder reguliert werden. Solche Prozesse sind bspw. die Transkription von Genen oder aber der Ab- oder Umbau von Proteinen, die Sekretion von Zeilinhaltsstoffen u.a.
Einsetzbar sind ferner Zellen, in denen für eine Amplifikation des Eingangssignals (elektrische Stimulation) eine nachgeschaltete zweite Signalkaskade durch einen Transkriptionsfaktor realisiert ist. In diesem Fall wird die elektrische Stimulation die Expression eines Transkriptionsfaktors induzieren, und der Transkriptionsfaktor wird wiederum die Expression des therapeutischen Genprodukts induzieren.
Vorzugsweise werden solche Zellinien und -typen eingesetzt, die sich im medizinischen Bereich als erfolgreich erwiesen.
Zu den nicht-neuronalen Zeil-Linien, die durch Elektrostimulation zu einer erhöhten Proteinsynthese angeregt werden können, zählt bspw. die Zeil-Linie MKN 45. Koijama, J. et al., "Elec- trically Promoted Protein Production by Mammalian Cells cul- tured on the Electrode Surface", Biotechnol. Bioeng. 39:27-32 (1992), setzten diese Zellinie durch Elektrostimulation zur Synthese des Carcinoembryo Antigens (CEA) ein. Bedlack, R.S. et al., "Localized Membrane Depolarizations and Localized Calcium Influx During Electric Field-guided Neurite Growth", Neuron 9:393-403 (1992), verwendeten die Zellinie N1E-115, die einen Galvanotropismus zeigt.
Zu den Zellen mit typisch neuronalen Kanaleigenschaften zählen bspw. die Zellinien PC 12, P 19 und humane SH-SY-Zellen. Untersuchungen mit diesen Zellen sind von Hagihara, Y. et al., "Transplantation of Xenogenic Cells Secreting beta-Endorphin for Pain Treatment: Analysis of the Ability of Components of Complement to Penetrate through Polymer Capsules", Cell Trans- plant. 6:527-530 (1997), durchgeführt worden.
Neuro2A-Zellen zählen ebenfalls zu den Zellen mit typischen Kanaleigenschaften. Noell, G., "Targeting and Processing of Pro- Opiomelanocortin in Neurorenal Cell-Lines", J. Neurochem. 52:1050-1057, (1989), zeigten durch eine Kalium-Depolarisation der Membranen von Neuro2A-Zellen eine gesteigerte beta- Endorphin-Expression.
Bei Primärzellen, die aus dem Cortex, dem Hippocampus und dem Ganglion Nodosum/Nervus Vagus isoliert werden, konnte eine e- lektrostimulierte Expression eines Nervenwachstumsfaktors nachgewiesen werden.
In bevorzugten Ausführungsformen werden autologe oder nicht- autologe Zellen verwendet.
Als nicht-autologe Zellen können dabei nicht nur allogene, sondern auch xenogene Zellen eingesetzt werden. Dies ist von Vorteil, wenn Spendergewebe der gleichen Spezies nur begrenzt zur Verfügung steht.
In weiteren Ausführungsformen ist das biologisch aktive Genprodukt ein natürliches oder ein gentechnisch modifiziertes Genprodukt.
Dadurch können in einem breiten Spektrum nicht nur natürlich vorkommende Genprodukte eingesetzt werden, sondern auch gentechnisch modifizierte oder künstlich generierte Genprodukte.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn das therapeutische Genprodukt ein Neuropeptid oder ein Vorläufer eines Neuropeptids ist.
Neuropeptide werden körpereigen im zentralen Nervensystem gebildet. Die Neuropeptide wirken bspw. als Neurotransmitter, Neuromodulatoren und/oder als Hormone und beeinflussen den Organismus in vielfältiger Weise. In einer Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn das Neuropeptid Proopiomelanocortin ist.
Proopiomelanocortin ist ein Vorlauferprotein, aus dem durch tryptische Hydrolyse verschiedene Endorphine freigesetzt werden. Die Expression von Endorphin kann induziert werden, und bei einer Implantation bspw. in den Liquorraum gelangt dieses Neuropeptid direkt an seinen Wirkort. Die Endorphine reagieren mit den Opiatrezeptoren des ZNS und blockieren dadurch u.a. Schmerzempfindungen.
In anderen Ausführungsformen ist bevorzugt, wenn das Genprodukt ein Wachstumsfaktor ist, oder ein Vorläufer eines Wachstumsfaktors, ein Antibiotikum, ein Antikörper, ein Zelltod verursachendes Protein oder ein Differenzierungsfaktor ist.
Wachstumsfaktoren modulieren Wachstum und Differenzierung von Zellen; so sind z.B. Wundheilung und Regeneration immer mit dem Wiederaufleben von Wachstumsvorgängen verbunden. Zelltod- induzierende Proteine können dagegen gezielt dazu verwendet werden, um bestimmte Zellen abzutöten, wie bspw. funktionslose, schädliche, nicht richtig entwickelte Zellen usw. Zu den Differenzierungsfaktoren zählen nicht nur bspw. Interleukine und In- terferone, die die Differenzierung von B-Zellen anregen, sondern auch Faktoren, die neuronale Zellen zu Wachstum und Differenzierung anregen, etc.
In anderen Ausführungsformen ist das Genprodukt ein Reportergen-Produkt, vorzugsweise ausgesucht aus der Gruppe enthaltend Chloramphenicol-Acetyltransferase, Luciferase, Green-fluores- cent-Protein, ß-Galactosidase oder alkalische Phosphatase. Derartige Reportergen-Produkte sind insbesondere bei der Durchführung von analytischen oder diagnostischen Verwendungen von Vorteil, da durch diese bspw. die produzierte Menge an einem Genprodukt einfach gemessen werden kann.
Derartige Reportergene wurden bereits erfolgreich bei Zell- Transfektionen eingesetzt. Sequenzen und Anwendungsbeispiele finden sich bspw. in Visted, T. et al., "lacZ-neoR Transfected Glio a Cells in Syngeneic Rats: Growth Pattern and Characteri- zation of the Host Immune Response Against Cells Transplanted Inside and Outside the CNS" , Int. J. Cancer 85:228-235 (2000) und Dijkhuizen, P. et al . , "Adenoviral Vector-Mediated Gene De- livery to Injured Rat Peripheral Nerve", Journal of Neurotrauma 15(6) :387-397 (1998).
Es ist außerdem bevorzugt, wenn das biologisch aktive Genprodukt sezerniert wird.
Durch die Sezernierung gelangt das Genprodukt aus den produzierenden Zellen direkt in deren Umgebung, wo es seine Wirkung unmittelbar entfalten kann.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Zellen gentechnisch verändert. Die Zellen werden bspw. durch Elektroporation, durch chemisch vermittelte Transfektion oder durch retrovirale Vektoren transfiziert . Beispiele für derartige Verfahren sind veröffentlicht in Visted, T. et al., "lacZ-neoR Transfected Glioma Cells in Syngeneic Rats: Growth Pattern and Characteri- zation of the Host Immune Response Against Cells Transplanted Inside and Outside the CNS", Int. J. Cancer 85:228-235 (2000), Hagihara,Y. et al., "Long-Term Functional Assessment of Encap- sulated Cells Transfected with Tet-On System", Cell Transplantation 8:431-434 (1999), Dijkhuizen, P. et al . , "Adenoviral Vector-Mediated Gene Delivery to Injured Rat Peripheral Nerve", Journal of Neurotrauma 15 ( 6 ): 387-397 (1998), Shinya, E. et al., "In-vivo Delivery of Therapeutic Proteins by Genetically Modi- fied Cells: Comparison of Organoids and Human Serum Albumin Al- ginate-Coated Beads", Biomed. Pharmacother . 53(10):471-483 (1999).
Retrovirale Vektoren sind hierbei von Vorteil, da andere virale Vektoren u.U. Nebenwirkungen hervorrufen; so lösen z.B. Adenoviren gegebenenfalls lokale Immunreaktionen aus, Herpes- simplex-Viren zeigen u.U. Neurotoxizität und Immunogenität .
Vorzugsweise wird der Expressionsvektor LXSN verwendet. Dieser Vektor erwies sich als besonders geeignet in der medizinischen Forschung.
Ishii, K. et al., "Attempted Gene Therapy for Intractable Pain: Dexamethason-mediated Exogenous Control of beta-Endorphin Se- cretion in Genetic Modified Cells and Intrathecal Transplantation", Exp. Neurol. 166:90-98, (2000), verwendeten LXSN zusammen mit den Mouse Mammary Tumor Virus (MMTV) , um durch Gaben von Dexamethason die Expression von ß-Endorphin in transplan- tierten Zellen zu induzieren.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen weisen die gentechnisch veränderten Zellen zumindest eine elektrostimulierbare Regulatorsequenz und zumindest einen direkt oder indirekt unter der Kontrolle der Regulatorsequenz befindlichen kodierenden Transkriptionsbereich, im folgenden "Gen" oder "Zielgen" genannt , auf .
Regulatorsequenzen, die über eine elektrische Reizung aktiviert werden, stellen eine vorteilhafte Alternative zu den Faktorregulierten Systemen dar. Dabei kann der Regulatorsequenz ein Gen direkt nachgeschaltet sein. Bei dieser Ausführung wird die Expression des Gens direkt durch Bindung aktivierter Transkriptionsfaktoren an Regulatorsequenzen aktiviert. Die Transkriptionsfaktoren werden dabei mittels der oben erwähnten Second- messenger-Kaskade nach einer Elektrostimulation aktiviert. In diesem Fall besitzt die Regulatorsequenz die Funktion eines Promotors .
Das Zielgen kann außerdem unter einer indirekten Kontrolle stehen. Dies ist bspw. der Fall, wenn die Expression eines zweiten Transkriptionsfaktors elektrisch induziert wird, und dieser Faktor durch Bindung an eine zweite Regulatorsequenz die Expression des Zielgens induziert. Diese Doppelkaskade dient u.a. der Signalverstärkung, um eine erhöhte Expression des Zielgens zu erreichen.
Vorteilhafterweise sind keine weiteren Faktoren wie Medikamente zur Expressions-Aktivierung notwendig, so daß der Patient nicht zusätzlich belastet werden muß.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die elektrosti- mulierbare Regulatorsequenz zumindest einen Teil der Promotorsequenzen des BDNF-Gens auf. Das BDNF-Gen kodiert für den sog. Brain-derived Neurotrophic Factor, ein von Neuronen des Zentralen Nervensystems gebildetes Protein. Das BDNF-Gen besteht aus fünf Exons (I - V), wobei die ersten vier von PromotorSequenzen flankiert werden. Die Exons werden einzeln mit dem fünften Exon zusammengespliced. Bevorzugt als Einsatz bei der implantierbaren Vorrichtung sind Promotorsequenzen des Exon III.
Funktionalitätsassays und Sequenzen des BDNF-Gen-Promotors finden sich bspw. in Shieh P.B. et al . , "Identification of a Sig- naling Pathway involved in Calcium Regulation of BDNF Expression", Neuron 20:727-740 (1998), oder in Shieh, P.B. et al., "Molecular Mechanisms underlying activity-dependent regulation of BDNF expression", J. Neurobiol. 4:127-134 (1999).
Der molekulare Mechanismus zur Aktivierung dieses Promotors beginnt mit der Öffnung von spannungsabhängigen Calcium-Kanälen in der Zellmembran nach einer Stimulierung und über eine nachfolgende second-messenger Kaskade. Aktivierte Transkriptionsfaktoren binden an zwei Promotorelemente des BDNF-Promotors , wodurch die Expression des dem Promotor nachgeschalteten Gens gestartet wird. Somit kann der Promotor gezielt duch Elektrostimulation angeschaltet werden.
Bei einer Ausführungsform kodiert der unter der Kontrolle der elektrostimulierbaren Regulatorsequenz befindliche kodierende Transkriptionsbereich für ein Genprodukt, das ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Neuropeptide, Wachstumsfaktoren, Antibiotika, Antikörper, Zelltod verursachende Proteine, Differenzierungsfaktoren, oder Vorläufer davon. Es ist bevorzugt, wenn der der Regulatorsequenz nachgeschaltete Transkriptionsbereich für ein Neuropeptid oder einen Vorläufer davon, insbesondere für Proopiomelanocortin, kodiert. Durch die Nachschaltung des Pro-opiomelanocortin-Gens hinter die elektro- stimulierbare Regulatorsequenz kann damit gezielt eine Expression von Proopiomelanocortin induziert werden. Dadurch wird Proopiomelanocortin als Vorlauferpeptid von Endorphinen von den Zellen gebildet.
Bei bevorzugten Anwendungen wird die implantierbare Vorrichtung in einen Organismus, vorzugsweise in dessen Gehirn, Rückenmark oder Liquorraum eingebracht.
Durch diese Sekretion "vor Ort" wird das Problem der Instabilität der Peptide und das Problem der Blut-Hirn-Schranke vorteilhaft umgangen.
Bei einem Einsatz der implantierbaren Vorrichtung in einem Organismus können also bspw. Genprodukte zur Behandlung von Schmerzzuständen, StoffWechselerkrankungen, Tumoren, und/oder Immunerkrankungen zu diagnostischen Zwecken oder zu analytischen Zwecken im nicht-medizinischen Bereich direkt im Organismus produziert werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur jeweils in der angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstehung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen implantierbaren Vorrichtung im Liquorraum eines Patienten, teilweise vergrößert dargestellt;
Fig. 2 schematische Darstellung der Aktivierung des elektro- stimulierbaren Promotors .
In Fig. 1 ist mit 10 ein Kopf eines Patienten mit Gehirn 11 und Rückenmark 12 gezeigt. Liquor umspült das Gehirn 11 und das Rückenmark 12 im Liquorraum 13. Ein Implantat 14 ist in den Liquorraum 13 eingebracht. Das Implantat 14 weist eine röhrenförmige Kapsel 15 und darin enthaltene Zellen 16 auf. In die Kapsel 15, die eine semi-permeable Membran 17 aufweist, sind außerdem Elektroden 18 integriert.
Bei einer Anwendung der implantierbaren Vorrichtung wird der Liquorraum 13 punktiert und anschließend das Implantat 14 durch eine Führungskanüle in diesen Liquorraum 13 eingeschoben. Dieses chirurgische Vorgehen entspricht dabei vollständig den heutigen Methoden zur Katheterimplantation in den Spinalraum. Die Implantate 14 sind dabei röhrenförmig gekapselt und weisen einen Außendurchmesser von weniger als 1 mm auf . Die Anschlußdrähte des Implantats 14 können durch das subkutane Fettgewebe nach vorne in die Bauchdecke durchgezogen werden, wo eine Stimulatoreinheit ebenfalls subkutan chirurgisch eingesetzt wird. Solche Einheiten sind für verschiedene nervale Sti- mulatoren bereits kommerziell erhältlich.
Das Implantat 14 enthält die röhrenförmige Kapsel 15, in die die Zellen 16 eingebracht sind. Durch die semipermeable Membran 17 wird eine Diffusion von Nährstoffen und Stoffwechsel(end) produkten zugelassen, eine Diffusion größerer Moleküle des Immunsystems wird jedoch beschränkt und außerdem ein Kontakt mit immunokompetenten Zellen verhindert. Für die Verkapse- lung werden kommerziell erhältliche Produkte verwendet, die bereits in anderen Projekten erfolgreich eingesetzt wurden. Geeignet ist hierbei ein Polymerschlauch aus Polysulfon (Amicon Corp., USA), der an seinen Enden durch Hitzeeinwirkung verschlossen werden kann.
Hagihara, Y. et al., "Transplantation of Xenogenic Cells Se- creting beta-Endorphin for Pain Treatment: Analysis of the ability of components of complement to penetrate through poly- mer capsules", Cell Transplant. 6:527-530 (1997), konnten eine erfolgreiche Anwendung derartiger Polymerschläuche zeigen. Der Durchmesser des Schlauches ist dabei kleiner als 1.000 um, damit den Zellen eine ausreichende Sauerstoffversorgung ermöglicht wird.
Über die Enden des Polymerschlauches werden die Elektroden 18 eingebracht, die dann wiederum durch lokale Hitzeeinwirkung eingeschweißt werden. So wird der Schlauch einerseits verschlossen, und andererseits werden die Elektroden fixiert. Alternativ wird eine Mikrσverkapselung mittels Alginat angewendet: Thorsen, F. et al., "Alginate Encapsulated Producer Cells: A potential new approach for the treatment of brain tumour", Cell Transplant. 9:773-783 (2000), setzten in Tierversuchen Al- ginat-eingekapselte Zellen als Implantate erfolgreich ein.
Durch die Verkapselung darf das Wachstum der Zellen in Kultur nicht beeinträchtigt werden, außerdem muß darauf geachtet werden, daß die Einkapselungsmatrix nicht läsioniert wird. Die Zellen 16 werden in den Kapseln 15 zwischen den Elektroden immobilisiert, und das durch Elektrostimulation induzierte Genprodukt durchdringt die Kapselmatrix und gelangt somit in den Liquorraum 13.
In Fig. 2 ist die Aktivierung des elektrostimulierbaren Promotors schematisch dargestellt. Calciumionen 20 gelangen über die Zellmembran 21 in das Zellinnere 22, wo sie an Calmodulin- Moleküle 23 binden. Die Calmodulin-Moleküle 23 werden durch die Bindung von Calciumionen 20 in einen aktiven Zustand 24 versetzt und verbinden sich mit dem Molekül der Calmodulin-Kinase 25 zum aktivierten Calmodulin-Kinasemolekül 26. Diese aktivierte Kinase 26 aktiviert wiederum einen Transkriptionsfaktor 27, der neben einem weiteren Transkriptionsfaktor 28 an den elektrostimulierbaren Promotor 29 im Zellkern 30 bindet. Der Promotor 29 weist zwei Bereiche 31 und 32 auf, an die die Transkriptionsfaktoren 27 und 28 binden. Der elektrostimulierbare Promotor 29 wird dadurch aktiviert, wodurch die Expression des nachgeschalteten Gens 33 gestartet wird.
Der elektrische Impuls, der zur Stimulierung eingesetzt wird, besitzt einen Frequenzbereich von 5 bis 50 Hz und wird z.B. von den kommerziellen Neurostimulatoren Itrel II Modell 7424 erreicht, welche eine Zulassung für den Medizinbereich besitzen. Durch diesen elektrischen Impuls werden die Zellmembranen 21 der implantierten Zellen depolarisiert, was als Folge einen Einstro von Calcium 20 über die Zellmembran 21 vom Zelläußeren ins Zellinnere 22 nach sich zieht.
Dieser Calciumeinstrom löst die zuvor beschriebene second- messenger Kaskade aus, bei der unter anderem Calcium 20 an ein Calmodulin-Molekül 23 bindet. Calmodulin ist ein intrazellulärer Calciumrezeptor, durch das Binden von Calcium wird die Konformation von Calmodulin geändert, und Calmodulin wird durch das Calcium in eine allosterisch aktivierte Form 24 versetzt. Diese aktivierte Form 24 besitzt selber keine Enzymaktivität, sondern bindet an andere Proteine, wodurch wiederum deren Aktivität geändert wird.
Der Calcium/Calmodulin-Komplex 24 bindet dann an die Calci- um/Calmodulin-abhängige Proteinkinase (CaM-Kinase) 25 und versetzt diese in den aktivierten Zustand 26. Diese aktivierte Form der CaM-Kinase 26 phosphoryliert Aminosäurereste des Transkriptionsfaktors CREB (cAMP-Response Element Binding Protein) 27, welcher neben einem zweiten Transkriptionsfaktor 28 im Zellkern 30 an bestimmte Promotorbereiche des elektrostimu- lierbaren Promotors 29 binden.
Der Transkriptionsfaktor CREB 27 bindet dabei an den Promotorbereich 31, an das sogenannte das cAMP-Response Element (CRE), der Transkriptionsfaktor 28 an den Promotorbereich 32, der sogenannten cAMP-Response Sequenz (CRS-I) des BDNF Exon III Promotors. Durch das Binden der Transkriptionsfaktoren kann die Expression des dem elektrostimulierbaren Promotor 29 nachgeschalteten Gens 33 gestartet werden. Die Genprodukte, bspw. Prooipomelanocortin, verlassen die Zelle 22 und gelangen über die semi-permeable Membran der Kapsel in die unmittelbare Umgebung des Implantats.
Im Zuge des Zellstoffwechsels wird der Calciumspiegel innerhalb der Zelle wieder auf den Zustand vor der Depolarisation gebracht, weshalb die second messenger Kaskade auf natürlichem Weg wieder zum Einhalt gebracht wird.
Auf diese Weise lassen sich dem elektrostimulierbaren Promotor nachgeschaltete Gene gezielt und effizient exprimieren. Dieses PromotorSystem hat beispielsweise gegenüber faktorabhängigen Promotorsystemen den Vorteil, daß der Weg über die elektrische Stimulierung arm an Nebenwirkungen, schneller und effizienter als diese faktorabhängigen Promotorsysteme ist.

Claims

Patentansprüche
1. Implantierbare Vorrichtung mit Zellen, die bei Elektrostimulation ein vorzugsweise biologisch aktives Genprodukt produzieren.
2. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die implantierbare Vorrichtung ein E- lektrodensystem aufweist.
3. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in einer Kapsel enthalten sind, die vorzugsweise eine Einbettmatrix enthält.
4. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel ganz oder teilweise semiper- meabel ist.
5. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel biologisch abbaubar ist.
6. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel biologisch inert und dauerhaft stabil ist.
7. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Polysulfon und Alginat.
8. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Kapsel eine definierte Ausschlußgrenze hat, vorzugsweise den Zeildurchtritt hemmt, weiter vorzugsweise ein Ausschlußmolekulargewicht von 10 bis 100 kDa aufweist.
9. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend nicht-neuronale Zellen, Zellen mit neuronalen Kanaleigenschaften, isolierte Primärzellen, Zellinien oder Stammzellabkömmlinge.
10. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen autolog sind.
11. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen nicht-autolog sind.
12. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch aktive Genprodukt ein natürliches Molekül ist.
13. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch aktive Genprodukt ein gentechnisch modifiziertes Molekül ist.
14. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch aktive Genprodukt ein Neuropeptid oder ein Vorläufer eines Neuropeptids ist.
15. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Neuropeptid Proopiomelanocortin ist.
16. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch aktive Genprodukt ein Wachstumsfaktor oder ein Vorläufer eines Wachstumsfaktors, ein Antibiotikum, ein Antikörper, ein Zelltod verursachendes Protein, oder ein Differenzierungsfaktor ist.
17. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Genprodukt ein Reportergen-Produkt ist, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Chlormaphenicol-Acetyltransferase, Luciferase, Green fluorescent Protein, ß-Galactosidase oder alkalische Phosphatase.
18. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß das biologisch aktive Genprodukt sezerniert wird.
19. Implantierbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
18, dadurch gekennzeichnet daß die Zellen gentechnisch verändert sind.
20. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die gentechnisch veränderten Zellen zumindest eine elektrostimulierbare Regulatorsequenz und zumindest einen direkt oder indirekt unter der Kontrolle der Regulatorsequenz befindlichen kodierenden Transkriptionsbereich aufweisen.
21. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostimulierbare Regulatorsequenz zumindest einen Teil der Promotorsequenzen des BDNF- Gens aufweist.
22. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der unter der Kontrolle der e- lektrostimulierbaren Regulatorsequenz befindliche kodierende Transkriptionsbereich für ein Genprodukt kodiert, das ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Neuropeptide, Wachstumsfaktoren, Antibiotika, Antikörper, Zelltod verursachende Proteine, Differenzierungsfaktoren, oder der Vorläufer davon.
23. Implantierbare Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Neuropeptid Proopiomelanocortin ist.
24. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einen Organismus, vorzugsweise in dessen Gehirn, Liquorraum oder Rückenmark eingebracht wird.
25. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Behandlung von Schmerzzuständen, StoffWechselerkrankungen, Tumoren und/oder Immunerkrankungen, zu diagnostischen Zwecken oder zu analytischen Zwecken im nicht-medizinischen Bereich eingesetzt wird.
26. Verwendung von Zellen zur Herstellung einer implantierbaren Vorrichtung, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen bei Elektrostimulation ein therapeutisches, diagnostisches oder a- nalytisch verwendbares Genprodukt produzieren.
27. Verwendung eines DNA-Moleküls zur Herstellung von Zellen nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das DNA- Molekül zumindest eine elektrostimulierbare Regulatorsequenz und zumindest einen direkt oder indirekt unter der Kontrolle der Regulatorsequenz befindlichen kodierenden Transkriptionsbereich aufweist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2006222983B2 (en) * 2005-03-15 2012-08-16 The Regents Of The University Of California Method and system for modulating energy expenditure and neurotrophic factors

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995005452A2 (en) * 1993-08-12 1995-02-23 Cytotherapeutics, Inc. Improved compositions and methods for the delivery of biologically active molecules using genetically altered cells contained in biocompatible immunoisolatory capsules
WO1995024929A2 (en) * 1994-03-15 1995-09-21 Brown University Research Foundation Polymeric gene delivery system
WO2002049669A2 (en) * 2000-12-21 2002-06-27 Medtronic, Inc. Electrically responsive promoter system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5158881A (en) * 1987-11-17 1992-10-27 Brown University Research Foundation Method and system for encapsulating cells in a tubular extrudate in separate cell compartments
JP3324782B2 (ja) * 1991-05-31 2002-09-17 武田薬品工業株式会社 発現用プロモーターおよびその用途
US5529066A (en) * 1994-06-27 1996-06-25 Cb-Carmel Biotechnology Ltd. Implantable capsule for enhancing cell electric signals
DE19529371C3 (de) * 1995-08-10 2003-05-28 Nmi Univ Tuebingen Mikroelektroden-Anordnung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995005452A2 (en) * 1993-08-12 1995-02-23 Cytotherapeutics, Inc. Improved compositions and methods for the delivery of biologically active molecules using genetically altered cells contained in biocompatible immunoisolatory capsules
WO1995024929A2 (en) * 1994-03-15 1995-09-21 Brown University Research Foundation Polymeric gene delivery system
WO2002049669A2 (en) * 2000-12-21 2002-06-27 Medtronic, Inc. Electrically responsive promoter system

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE BIOSIS [Online] BIOSCIENCES INFORMATION SERVICE, PHILADELPHIA, PA, US; 15. Oktober 1997 (1997-10-15) BISHOP JOHN F ET AL: "Localization of putative calcium-responsive regions in the rat BDNF gene." Database accession no. PREV199800036655 XP002243810 & MOLECULAR BRAIN RESEARCH, Bd. 50, Nr. 1-2, 15. Oktober 1997 (1997-10-15), Seiten 154-164, ISSN: 0169-328X *
DATABASE BIOSIS [Online] BIOSCIENCES INFORMATION SERVICE, PHILADELPHIA, PA, US; 1992 CHAHINE K G ET AL: "A 102 BASE PAIR SEQUENCE OF THE NICOTINIC ACETYLCHOLINE RECEPTOR DELTA-SUBUNIT GENE CONFERS REGULATION BY MUSCLE ELECTRICAL ACTIVITY" Database accession no. PREV199294050445 XP002243811 & DEVELOPMENT (CAMBRIDGE), Bd. 115, Nr. 1, 1992, Seiten 213-219, ISSN: 0950-1991 *
DATABASE BIOSIS [Online] BIOSCIENCES INFORMATION SERVICE, PHILADELPHIA, PA, US; 1995 TIMMUSK TONIS ET AL: "Identification of Brain-derived Neurotrophic Factor Promoter Regions Mediating Tissue-specific, Axotomy-, and Neuronal Activity-induced Expression in Transgenic Mice." Database accession no. PREV199598138732 XP002243808 & JOURNAL OF CELL BIOLOGY, Bd. 128, Nr. 1-2, 1995, Seiten 185-199, ISSN: 0021-9525 *
DATABASE EMBASE [Online] ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL; TIMUSK ET AL: "MULTIPLE PROMOTERS DIRECT TISSUE-SPECIFIC EXPRESSION OF THE RAT BDNF GENE" Database accession no. EMB-1993111738 XP002243809 & NEURON, Bd. 10, Nr. 3, 1993, Seiten 475-489, *
DATABASE WPI Section Ch, Week 199402 Derwent Publications Ltd., London, GB; Class B04, AN 1994-011018 XP002243812 & JP 05 317049 A (TAKEDA CHEM IND LTD), 3. Dezember 1993 (1993-12-03) *
SHIEH PERRY B ET AL: "Molecular mechanisms underlying activity-dependent regulation of BDNF expression." JOURNAL OF NEUROBIOLOGY, Bd. 41, Nr. 1, Oktober 1999 (1999-10), Seiten 127-134, XP008018134 ISSN: 0022-3034 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2006222983B2 (en) * 2005-03-15 2012-08-16 The Regents Of The University Of California Method and system for modulating energy expenditure and neurotrophic factors

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