WO2008101700A2 - Bispezifisches fusionsprotein mit therapeutischem und diagnostischem potenzial - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a bispecific fusion protein with therapeutic and diagnostic potential for the treatment / diagnosis of lesions of vessels or tissues;
  • the invention further relates to a nucleic acid molecule coding for this fusion protein, a pharmaceutical and diagnostic composition comprising the fusion protein or nucleic acid molecule, and the use of the fusion protein or nucleic acid molecule for the preparation of a pharmaceutical composition for the treatment of lesions of vessels / tissues and a method for therapy of acute or chronic vascular disease.
  • the endothelium forms the single-walled vessel wall lining that separates the bloodstream from the thrombogenic structures of the subendothelium.
  • endothelial damage of the vascular wall and the now exposed thrombogenic subendothelial matrix occurs during hemostasis for the adhesion of resting, circulating in the blood platelets to now exposed collagen.
  • This initial adhesion process is controlled by platelet membrane glycoprotein receptors, the integrins, resulting in a change in shape, platelet activation and release of the contents from the storage granule.
  • the thrombocytic glycoprotein VI interacts directly with the exposed collagen and stabilizes the binding.
  • GPVI the most important collagen receptor, not only mediates tighter binding directly to collagen, but also mediates the activation of other receptors required for adhesion. After adhesion, the next step in hemostasis is aggregation, which leads to an accumulation of thrombocytes in the thrombus.
  • glycoprotein VI plays a crucial role as a collagen receptor on the platelet surface and is also a risk factor for myocardial infarction. Platelets without GPVI show no adhesion to collagen and the activability and aggregation is significantly reduced. By the occurrence of such thrombi, the supply of blood to the tissue is no longer guaranteed, so that ischemic conditions of the tissue located distal to the thrombus can occur.
  • cardiovascular diseases such as angina or myocardial infarction
  • angina or myocardial infarction currently account for about one third of all deaths worldwide.
  • rapid reperfusion of ischemia-affected coronary arteries is of utmost importance to prevent injury to the myocardium.
  • transluminal percutaneous angioplasty is currently used in conjunction with stent implantation to restore or treat the normal cardiovascular system.
  • the vascular endothelium which is a barrier between the circulating blood cells and the subendothelial matrix under physiological conditions, is still damaged.
  • platelet attachment and consequent thrombus formation and consequent acute myocardial infarction is a major complication after stenting.
  • stents are also currently being used, which are coated with drugs which are released gradually after implantation, the released drugs also delay the re-endothelialization of the treated vessel, so that stent thrombosis represents a very critical complication of this procedure.
  • this object is achieved by a bispecific fusion protein comprising (a) a first polypeptide that binds to collagen, and (b) a second polypeptide that binds to endothelial progenitor cells.
  • fusion protein is understood as meaning a hybrid protein or an artificial protein which can be produced in vitro as well as in vivo by molecular biological or chemical methods known in the art.
  • Precursor (progenitor) cells are generally progeny of an adult stem cell and, on the one hand, have stem cell properties in terms of their ability to regenerate, but on the other hand, are committed to their future functional area, this "fixation” being still reversible. Accordingly, “circulating cells” are termed “endothelial progenitor cells” which have the ability to Differentiate endothelial cells. These endothelial progenitor cells carry specific cell-surface proteins and, in turn, can be captured via polypeptides that bind to these cell surface proteins.
  • polypeptide is meant herein any chain of at least two interconnected amino acids, hence the term “polypeptide” also includes proteins which, like polypeptides, consist of several interconnected amino acids. Sometimes only complete molecules in stable form are referred to as “protein”, whereas “polypeptides” or “peptides” are understood to mean shorter amino acid chains without a stable 3-dimensional structure. Since, however, no clear boundary between these terms is to be drawn, in the present case, by definition, proteins are also encompassed by the term “polypeptides”.
  • the fusion protein can be produced by conjugation of two (or more) polypeptides by means of one or more chemical reagents or by recombinant DNA technologies.
  • the present inventors have shown that with the inventive fusion proteins CD34 + stem cells can be recruited to exposed collagen surfaces in their own experiments. Furthermore, the inventors of the present application were able to demonstrate that recruitment of the stem cells to the exposed collagen after a certain time allowed the stem cells to mature into mature endothelial cells, resulting in re-endothelialization of the injured tissue.
  • the re-endothelialization and the restoration of injured vessels or of any tissue which releases or exposes collagen on its surface as a result of injury or other influences can be treated by colonization with stem cells and their maturation in endothelial cells. This makes it possible to prevent the vessel-damaging reactions caused by a stent implantation or by chemical agents, or to treat them successfully after their occurrence.
  • Collagens are composed of three identical or different alpha chains that are tightly wound around each other.
  • Endothelial progenitor cells represent a circulating bone marrow-derived cell population of large non-leukocyte cells apparently involved in vascular repair and hemostasis.
  • stem cells could be recruited to injured human tissue under flowing conditions.
  • the fusion protein is further that the substance can be administered, for example, directly via a balloon catheter, or can be co-incubated with a stem cell population before these cells are administered, without the need for a difficult and expensive coating of the coronary stents.
  • the present fusion protein is an extremely effective tool for recruiting stem cells to injured vascular lesions, and therefore represents an effective therapeutic concept for the treatment of atherosclerotic diseases.
  • the collagen-binding first polypeptide is selected from the group comprising collagen antibodies, collagen receptors or functional fragments thereof.
  • the collagen receptor is selected from the group comprising thrombocytic glycoprotein VI (GPVI), Discoidin Domain Receptor 1 (DDR-I), Discoidin Domain Receptor 2 (DDR-2), or functional fragments thereof.
  • GPVI is the most important receptor of the platelets for collagen. GPVI makes possible the aggregation, secretion, change in shape and activation of the platelets.
  • Human GPVI contains a 20 amino acid signal sequence, an extracellular domain of 247 amino acids, as well as a 21 amino acid transmembrane domain and a 51 amino acid long cytoplasmic tail.
  • the discoidin domain receptors 1 (DDR-I) and 2 (DDR-2) are receptor tyrosine kinases and are characterized by the discoidin domain in the extracellular region of the receptor.
  • Discoidin domain receptors consist of an extracellular discoidin domain, a transmembrane domain, a long juxta-membranous domain, and an intracellular kinase domain. Their binding to collagen has been described in the art (see, for example, Vogel et al., "The discoidin domain receptor tyrosine kinases are activated by collagen", Mol. Cell (1997) 1: 13-23).
  • DDR-I comprises 913 Amino acids, wherein the extracellular domain comprises amino acids 19 to 416;
  • DDR-2 comprises 855 amino acids, and amino acids 22 to 399 form the extracellular domain.
  • the fusion protein of the invention binds with said receptors or receptor fragments as the first polypeptide to exposed collagen.
  • endothelial progenitor cells that is to say certain stem cells, are recruited to the exposed collagen, in that the endothelial progenitor cells are recognized by their specific surface antigens, such as, for example, CD 133 to which the antigens recognize Bind polypeptide of the fusion protein.
  • the recruited stem cells mature after a certain incubation time to endothelial cells and can thereby regenerate the injured tissue, whereby collagen is no longer exposed and therefore no longer thrombocytic.
  • the first polypeptide has an extracellular portion of GPVI, an extracellular portion of DDR-I, or an extracellular portion of DDR-2, or functional fragments thereof, joined to an immunoglobulin Fc domain.
  • soluble human GPVI-FC GPVI-Fc protein
  • the fusion protein does not necessarily have to be used for the complete or identical amino acid sequence of the soluble GPVI in order to fulfill the function according to the invention. Rather, the function of the fusion protein according to the invention is also fulfilled if the first polypeptide has a section or a sequence variant of the soluble GPVI, which, however, still exerts the binding function of GPVI in possibly attenuated form. It is known that the proteinogenic amino acids are divided into four groups, namely polar, non-polar, acidic and basic amino acids.
  • the present invention also covers such a fusion protein which is the first polypeptide of a variant of soluble GPVI in which one or more amino acids of one of the said classes of amino acids has been exchanged for another amino acid of the same class.
  • a sequence variant is preferably about 70%, more preferably about 80%, and most preferably about 90 to 95% homologous to the amino acid sequence of soluble GPVI.
  • Fe stands for "fragment crystallizable”. This fragment is formed by papain cleavage of the IgG molecule next to the two Fab fragments.
  • the Fc domain consists of the paired CH2 and C ⁇ 3 domains, including the hinge region, and contains the part of the immunoglobulin responsible for the dimerization function, which can advantageously be based on commercially available human or human immunoglobulin Mouse Fc DNA, which can either be isolated from commercially available cDNA libraries by PCR, or which is already cloned in plasmids, which in turn can be purchased (for example, available from the company In vi trogen, San Diego, USA).
  • a fragment or a variant of the Fc domain can also be used without adversely affecting the function of the first polypeptide according to the invention as long as the fragment or the variant still has the possibly diminished dimerization function of an antibody; see. above comments on the fragment or variant of GPVI that apply equally to the fragment or variant of Fc.
  • a variant of the Fc domain or a synthetic Fc fragment is preferably used, which is mutated in the complement and Fc receptor binding area such that activation of the immune system is largely reduced and possibly even fails.
  • an Fc fragment can be used in which by targeted mutagenesis at position 331 a proline exchanged with a serine and at the amino acid positions 234 to 237 the tetrapeptide Leu-Leu-Gly-Gly against Ala-Ala-Ala-Ala becomes.
  • the first polypeptide has an amino acid sequence with SEQ ID NO: 3, 5 or 7 from the attached sequence listing.
  • SEQ ID NO. Figure 3 represents the extracellular domain of the human GPVI whose total sequence is shown in SEQ ID NO. 1 is reproduced.
  • amino acid sequence SEQ ID NO. Figure 5 illustrates the extracellular domain of human DDR-I, the overall sequence of which is shown in SEQ ID NO. 4, the amino acid sequence SEQ ID NO: 6 represents the sequence of DDR-2 whose extracellular domain is shown in SEQ ID NO: 7.
  • the fusion protein may comprise a first polypeptide encoded by a portion of the nucleic acid molecule having the nucleotide sequence SEQ ID NO: 2 of the accompanying protocol.
  • the nucleotide sequence SEQ ID NO. Figure 2 represents the nucleotide sequence encoding the human GPVI.
  • nucleotide sequence of SEQ ID NO. 2 is suitable for producing the extracellular domains of the collagen receptors, but also variants thereof which code for the same polypeptide due to the degeneracy of the genetic code.
  • the genetic code is degenerate because the number of possible codons is greater than the number of amino acids. For most amino acids, there is more than one codon, so that, for example, arginine, leucine and serine are encoded by up to six codons. As a rule, the third codon position is limited or completely exchangeable.
  • such a fusion protein is also provided in which the first polypeptide is encoded by a nucleic acid molecule which, due to the degeneracy of the genetic code, is opposite to the nucleotide sequence of SEQ ID NO. 2 at individual nucleotide positions, but equally for the extracellular domains of GPVI and DDR-I or DDR-2 coded.
  • a variant to the nucleotide SEQ ID NO. 2 about 70% homology, more preferably about 80% homology and most preferably about 90 to 95% homology.
  • the second polypeptide is an antibody directed against CD 133, or functional fragments thereof.
  • the antigen CD133 is expressed on hematopoietic and endothelial precursor stem cells as well as on some epithelial cells.
  • the antigen thus constitutes a marker for these stem cells and has been described sufficiently in the prior art (see, for example, Yin et al., "CD133: A novel marker for human hematopoietic stem and progenitor cells", Blood (1997) 90: 5002
  • the stem cells which in turn have this antigen, can be recruited to the collagen by binding to the second polypeptide of the fusion protein.
  • an anti-CD133 antibody or functional fragments thereof can be used which is currently commercially available, such as the CD 133 antibody from Miltenyi Biotech (clone W6B3C1), Bergisch Gladbach, Germany, or the CD133 antibody from abcam Inc. (32AT1672), Cambridge, United Kingdom.
  • the antibody W6B3C1 was obtained by immunization of mice with the retinooblastoma cell line WERI-RB-I.
  • CD 133 antibody or functional fragments thereof may be used for the purpose of the present invention.
  • the appropriate antigen it is using the techniques customary in the prior art (for example, the hybridoma technique, see Köhler and Milstein, "Continuous cultures of fused cells secreting antibody of predefined specifi city, Nature (1975) 256: 495-7), it is possible to generate further, new anti-CD133 antibodies.
  • ком ⁇ онентs of an antibody means any antibody portions or moieties having the same function or binding specificity as the entire antibody from which they are derived.
  • humanized antibodies are recombinant antibodies in which the hypervariable region (CDR) sequences in human immunoglobulin genes are exchanged for the CDR of murine immunoglobulin genes.
  • CDR hypervariable region
  • Such antibodies are also referred to as chimeric antibodies.
  • the fusion protein may be provided with another peptide element which binds the first polypeptide to the second polypeptide.
  • another peptide element which binds the first polypeptide to the second polypeptide.
  • the invention further relates to a pharmaceutical and / or diagnostic composition
  • a pharmaceutical and / or diagnostic composition comprising the fusion protein according to any one of claims 1 to 6, and optionally at least one pharmaceutically acceptable carrier and optionally further pharmaceutically and / or diagnostically active substances.
  • Diagnostically and pharmaceutically acceptable carriers with optionally further additives are well known in the art and are described, for example, in the paper by Kibbe A., Handbook of Pharmaceutical Excipients, Third Edition, American Pharmaceutical Association and Pharmaceutical Press 2000.
  • Additives in accordance with the invention include any compound or composition which is advantageous for a diagnostic or therapeutic use of the composition, including salts, binders and other substances commonly used in connection with the formulation of medicaments.
  • the invention relates to the use of the fusion protein for the preparation of a pharmaceutical and / or diagnostic composition for the treatment of lesions of vessels, wherein the vessels and / or tissues are selected from the group comprising coronary vessels, brain-supplying vessels, extremity-supplying vessels, connective tissue, bone, and any vessel or tissue that has collagen.
  • composition prepared according to the present invention containing the fusion protein of the present invention, there is provided a highly effective tool for the treatment of diseases caused by the lesion of vessels exposing thrombogenic subendothelium resulting in the formation of thrombi.
  • composition is prepared for administration via a balloon catheter.
  • composition or fusion protein is co-incubated with a stem cell solution prior to cell administration.
  • the invention further relates to a process for producing a fusion protein comprising the steps of: (a) providing a soluble form of glycoprotein VI (GPVI) and an antibody directed against CD133; (b) modifying the amino groups of GPVI and the antibody with a cross-linking agent; (c) reducing GPVI; and (d) conjugating the reduced GPVI with the antibody modified in step (b).
  • GPVI glycoprotein VI
  • the crosslinking agent SPDP is N-succinimidyl-3- (2-pyridyldithio) -propionate).
  • any other crosslinking agent or coupling method known in the art for example the compound via thioether crosslinker or else via recombinant DNA technology.
  • the method of the invention can provide a fusion protein suitable for a diagnostic / therapeutic purpose or use.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of the inventive bispecific construct, which is directed against collagen and the stem cell antigen CD33.
  • FIG. 2 The recruitment of EPCs to exposed collagen by a specific GPVI / CD133 construct consisting of the soluble collagen receptor GPVI and an antibody directed against CD 133 leads to the development of endothelial cells in vitro: a) static adhesion assays; b) dynamic assay; c) formation of endothelial colonies; d) marker expression of CD31 and CD 146; e) expression of vWF / endoglin; f) detection of Weibel-Palade bodies in an electron microscope; g) specific enhanced adhesion of the EPCs, mediated by GPVI-CD 133, to immobilized collagen compared to fibronectin; h) more efficient recruitment of collagen EPCs by GPVI-CD133 than CXCL7; and
  • FIG. 3 The GPVI-CD133 construct recruits EPCs to vascular lesions in vivo and enhances reconstitution of vascular integrity: a), b) carotid artery injury of experimental animals, and injection of EPCs with DCF staining; c) histological sections, analyzed by two-photon microscopy and stained with DCF; d) in situ hybridization of histological sections with a human alu sequence; e) HE staining of endothelial cells; in situ hybridization with an alu sequence; f) GPVI CD 133 causes a significantly reduced intima / media ratio.
  • Biocoll separation solution was purchased from Biochrom AG (Berlin, Germany), EBM as "BulletKit” (EGM) from Cambrex Bio Science (East Rutherford, New Jersey) Collagen I, collagen III, laminin, vitronectin, fibrinogen and fibronectin were from BD Sciences (Heidelberg, Germany), human VEGF purchased from PeproTech Inc.
  • Human CD34 + cells and CD133 + cells were isolated from human umbilical cord blood and, as described by Lang et al. ("Transplantation of a combination of CD133 + and CD34 + selected progenitor cells from alternative donors", British Journal of Haematology 2004; 124: 72-79).
  • the donor cells were granulocyte-stimulated by administration of 1 x 10 ⁇ g / kg
  • the selection of progenitor cells with anti-CD34 + or anti-CD133 + -coated microspheres was carried out with the automated CLINIMACS device (Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Germany) for 5 days and harvested by 1 to 3 leukapheresis methods.
  • a bispecific construct (fusion protein) was prepared.
  • soluble GPVI-Fc and a monoclonal antibody to CDI 33 were used.
  • Soluble GPVI became, as described above, see Massberg et al., supra, reference being made explicitly to this publication for the preparation of the soluble GPVI construct.
  • the extracellular domain of GPVI was fused to the human Fc domain.
  • Fc was amplified from a human heart cDNA library (Clontech, Paolo Alto, CA, USA). The primer pairs and the conditions for the polymerase chain reaction can be found in the cited publication by Massberg et al.
  • the PCR fragment was cloned via NotI / HindIII into the plasmid pADTrack CMV.
  • total RNA was isolated from cultured megakaryocytes (RNeasy Mini Kit, Qiagen, Hilden, Germany). After a reverse transcription, 100 ng of the generated cDNA were used as template for the PCR amplification of the human GPVI (primer and PCR conditions see cited publication).
  • the PCR fragment was cloned into the plasmid pADTrack CMV Fc via BglII / NotI to recover a plasmid containing the human extracellular domain of GPVI fused to the human Fc domain, including a specific hinge region.
  • the CD133-reactive monoclonal antibody (mAb) W6B3C1 was generated by immunization of 6 week old female Balb / c mice (Charles River WIGA, Sulzfeld, Germany) with the retinoblastoma cell line WERI-RB-I.
  • the specificity of the monoclonal antibody for CD133 was confirmed at the 7th International Leukocyte Conference in England (see Bendinging et al., "CD133 Cluster Report.” In: Leucocyte Typing VII. White Cell Differentiation Antigens. "Mason D et ah, (Eds.), Oxford University Press, Oxford, 20002, pp. 622-623).
  • the heterobifunctional reagent SPDP N-succinimidyl-3- (2-pyridyldithio) -propionate
  • SPDP N-succinimidyl-3- (2-pyridyldithio) -propionate
  • the perfusion was performed with stem cells expressed in Tyrodes-HEPES buffer (HEPES 2.5 mmol / l; NaCl 150 mmol / l; KCl 1 mmol / l; NaHCO 3 2.5 mmol / l, NaH 2 PO 4 0.36 mmol / 1; glucose 5.5 mmol / 1; BSA 1 mg / ml, pH 7.4, supplemented with CaCl 2 1 mmol / 1 MgCl2 lmmol / 1; each from Sigma, Taufkirchen, Germany) at a shear rate of 2000 s-1. All experiments were recorded in real time on video and evaluated off-line.
  • Colony formation assay and flow cytometry CD34 + precursors were seeded on human collagen I under the following different conditions: with or without the addition of the GPVI-CD133 construct (10 ⁇ g / ml), both individual components of the construct (negative control), fibronectin (Becton Dickinson, Heidelberg , Germany) as a positive control.
  • the cells were each incubated for several days in growth medium for MV2 endothelial cells with 5% heat-inactivated fetal calf serum, 5.0 ng / ml epidermal growth factor, 0.2 ⁇ g / ml hydrocortisone, 0.5 ⁇ g / ml vascular endothelial growth factor, 10 ng / ml basic fibroblast factor, 20 ng / ml R3 insulin-like growth factor-1, and 1 ⁇ g / ml ascorbic acid (PromoCell, Heidelberg, Germany). After 48 hours, the non-adherent cells were removed. Endothelial colony forming units were counted on day 4 (number of colonies / 10 6 cells).
  • the cells were washed and resuspended in PBS, incubated for 15 min with polyglobin (Bayer Vital, Leverkusen, Germany), washed and then incubated with FITC-labeled antibodies to CD31 (clone 5.6, Beckman Coulter, Krefeld Germany) and CD164 (clone 128018; R & D Systems Wiesbaden, Germany) for 30 min at room temperature. After another washing step, the cells were analyzed with a FACSCanto flow cytometer (Becton Dickinson, Heidelberg, Germany).
  • Endothelial progenitor cells (2 x 10 8 / ml) were incubated for eight days in culture medium MV 2 (PromoCell) in wells coated with the GPVI-CD133 + mAb.
  • phase-contrast controls were carried out on a daily basis. Subsequently, the cells were fixed in Karnovsky's solution, post-fixed in osmium tetroxide and embedded in glycidyl ether before microscopy was performed.
  • the cells were additionally incubated with fluorescently labeled antibodies. Between each incubation step, the cells were gently washed with PBS. The stem cells were dissolved in 2% formaldehyde Solution fixed for 20 minutes. Subsequently, the cells were washed with 3% glycine and incubated for 30 minutes with PBS containing a primary anti-vWF antibody (human, 5 ⁇ g / ml). Non-specific binding was prevented with bovine serum albumin (3%, one hour). Following this, a secondary antibody (goat anti-mouse, 5 ⁇ g / ml) was added for an additional 30 minutes.
  • a primary anti-vWF antibody human, 5 ⁇ g / ml
  • rhodamine phalloidin (5 ⁇ g / ml, cytoskeletal detection) and DAPI (5 ⁇ g / ml, detection of cell nucleus) were added for 30 minutes. The samples were analyzed by standard immunofluorescence microscopy.
  • the stem cells were labeled with Vybrant DiD for 20 minutes and resuspended in EBM medium.
  • Human veins were placed in an ex vivo flow in which the vessel was surrounded by medium for nutritional purposes.
  • the vessels were injured by means of a balloon catheter and then coated with the GPVI-CD 133 mAb construct for 30 minutes.
  • EPCs were passed through the veins for two hours to allow the cells to adhere to the injured vascular region.
  • the veins were then thoroughly washed with EBM at a high shear rate for 24 hours at 37 ° C. Following this, the vessels were removed from the bioreactor. , fixed in 4% PFA for 24 hours, and analyzed for cell recruitment by in situ hybridization.
  • Wild-type C57BL6 / J mice were treated similarly to the protocol for in vivo adhesion testing (see above).
  • EPCs 5 ⁇ 10 5 / ml
  • the GPVI-CD133 construct 10 ⁇ g / ml 9 or both individual components of the construct together (10 ⁇ g / ml each) for 2 hours were used to close the wounds of the right jugular vein After two weeks the animals were killed and carotid artery samples were taken in.
  • Regenerative endothelial cells were examined by hematoxylin-eosin (HE) staining and Elastica von Giesson staining was also performed.
  • HE hematoxylin-eosin
  • Elastica von Giesson staining was also performed.
  • in situ hybridizations were performed using an alu sequence specific for human cells.
  • Immunohistochemistry was performed using paraffin sections from mouse vessels.
  • the slides with the sections were deparaffinized with xylene (Carl Roth GmbH, Düsseldorf, Germany) and rehydrated with decreasing ethanol concentrations: 100%, 90%, 70%, 50%. Subsequently, the slides were washed thoroughly with PBS. This was followed in each case by 20 minutes of permeabilization and blocking steps with PBS containing 0.1% Triton X-100 (Fluka Chemie, Buchs, Switzerland) and 1% BSA (bovine serum albumin) solution (Sigma Aldrich, St. Louis, USA).
  • the slides were incubated with the primary antibody anti-vWF (2.5 ⁇ g / ml) (Chemicon, Temecula, USA) for 12 hours at 4 ° C. Thereafter, the secondary goat anti-rabbit antibody (5 ⁇ g / ml) (Molecular Probes / Invitrogen, Düsseldorf, Germany) and 0.1 ⁇ g / ml DAPI (Carl Roth GmbH, Düsseldorf Germany) were added for a further 120 min Room temperature added. The slides were washed thoroughly with PBS, rinsed with distilled water, dried and covered with Kaiser's gelatin (Merck, Darmstadt, Germany) and analyzed.
  • the primary antibody anti-vWF 2.5 ⁇ g / ml
  • the secondary goat anti-rabbit antibody 5 ⁇ g / ml
  • 0.1 ⁇ g / ml DAPI Carl Roth GmbH, Düsseldorf Germany
  • mice Male NOD / SCID mice were treated according to a protocol similar to that described above (see “Carotid Ligature Ligation”), In place of the carotid artery ligation, a wire was used to induce injury After injection of EPCs (5x10 5 / ml), which were previously treated for 30 min with the GPVI-CD-133 construct (10 ⁇ g / ml) or with both components of the construct (10 ⁇ g / ml each) into the tail vein, the wounds were closed and the animals kept alive After 14 or 21 days, the animals were sacrificed and carotid artery samples were collected, embedded in paraffin blocks and sectioned from the proximal to the distal end in 5 ⁇ m sections, 10 sections down the carotid fork were used for quantitation or The neointima formation was determined in cross-section using imaging analysis software (Zeiss) . The neointima was determined for each T This is determined as the difference between the area bounded by the internal
  • the animals were anesthetized and the carotid arteries were examined by duplex sonography as previously described (see Massberg et al., "A critical role of platelet adhesion in the initiation of atherosclerotic lesion formation", J. Exp. Med. 196: 887-896 ( 2002).
  • the maximum systolic flow velocity was V 575 and the endodiastolic flow velocity V di a determined.
  • the resistance index of the carotid artery was determined as the difference between V sys and V di a separated by Vsys.
  • chemokine CXCL7 has been shown to significantly increase the chemotaxis and adhesion of EPCs to extracellular matrix components.
  • the GPVI-CD133 construct can effect more effectively a recruitment of the EPCs to immobilized collagen than CXCL7 (see FIG. 2h).
  • the developing cells are positive for the cell markers CD31 and CD146, which are endothelial surface markers (see Fig. 2d).
  • the cells could be stained positive for the markers vWF / endoglin and phalloidin, which are markers of mature endothelial cells.
  • the detection was carried out via standard or concurrent okernal immunofluorescence. Reszenz-Mikrosopie (see Fig. 2e).
  • Weibel-Palade bodies could be detected, a typical feature of mature endothelial cells (Fig. 1, shown at ⁇ -, "300 nm x 60 nm ; Magnification x 80000). In untreated CD34 + no Weibel-Palade bodies could be found.
  • porcine vessels were damaged with a balloon catheter for 2 hours prior to EPC use and after perfusion. Subsequently, the vessels were fixed and the recruitment of the cells was examined by in situ hybridization with a sequence specific for humans.
  • the recruitment of the stem cells could be significantly increased by using the GPVI-CD133 construct, compared to uninjured vessels (approximately 50-fold, not shown), to injured vessels in which the construct was not used (approximately 25-fold ), or if the two components of the Construct alone (approximately 10-fold) (Figure 3d). * means p ⁇ 0.001 compared to the two individual components of the construct.
  • EPCs ie CD34 + stem cells
  • CD34 + stem cells CD34 + stem cells
  • the fusion protein or variants derived therefrom for example, can be introduced into the corresponding vessels via a catheter, or else co-incubated with these prior to administration of stem cells.
  • the results show that by means of the fusion protein according to the invention it is possible to capture circulating endothelial progenitor cells on collagen-rich vascular lesions, which could be demonstrated both by in vitro and by in vivo experiments.
  • the fusion protein enhanced the differentiation of endothelial progenitor cells (EPCs) in endothelial cells and enhances the re-dothelialization of vascular lesions.
  • EPCs endothelial progenitor cells

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein bispezifisches Konstrukt mit einem ersten Polypeptid, das an Kollagen bindet, sowie einem zweiten Polypeptid, das an endotheliale Vorläuferzellen bindet. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung dieses Fusionsproteins zur Herstellung einer pharmazeutischen Zusammensetzung zur Behandlung von Gefäß- und/oder Gewebeläsionen.

Description

Bispezifisches Fusionsprotein mit therapeutischem und diagnostischem Potenzial
Die Erfindung betrifft ein bispezifisches Fusionsprotein mit therapeutischem und diagnostischem Potenzial zur Behandlung/Diagnose von Läsionen von Gefäßen oder Geweben; ferner betrifft die Erfindung ein dieses Fusionsprotein codierendes Nuc- leinsäuremolekül, eine pharmazeutische und diagnostische Zusammensetzung, die das Fusionsprotein oder Nucleinsäuremolekül aufweist, sowie die Verwendung des Fusionsproteins oder Nucleinsäuremoleküls zur Herstellung einer pharmazeutischen Zusammensetzung zur Behandlung von Läsionen von Gefäßen/Geweben sowie ein Verfahren zur Therapie von akuten oder chronischen Gefäßerkrankungen.
Verletzungen der Gefäße des Herz-Kreislaufsystems treten insbesondere als Folge von Stent- oder Stentgraftimplantationen in die Gefäße auf, welche wiederum aufgrund anderer Erkrankungen oder Vorfälle in die betroffenen Gefäße eingeführt werden müssen, um die Versorgung des umliegenden Gewebes oder von Organen zu gewährleisten. Im physiologischen Zustand zirkuliert das Blut in einem geschlossenen Gefäßsystem, ohne dass es zum Anhalten des Blutflusses oder zum Austritt von Blut in umliegendes Gewebe kommt. Allerdings führen Schäden in der Gefäßwand zur Aufhebung der Integrität der Gefäßwand und zur anschließenden Blutung in umliegendes Gewebe. Um dies zu verhindern, bilden Thrombozyten in Verbindung mit löslichen Plasmakomponenten einen hämostatischen Thrombus, der den Schaden abdichtet und die Blutstillung bewirkt. Sobald eine Läsion an einem Gefäß auftritt, werden sofort die verschiedenen zellulären und biochemischen Mechanismen in Gang gesetzt, die für die Hämostase notwendig sind. Auch das Endothel spielt durch die Regulation der Permeabilität für Plasmalipoproteine, Leukocytenadhäsion und die Sezernierung von pro- und antithrombotischen Faktoren sowie vasoaktiven Substanzen eine zentrale Rolle bei der arteriellen Hämostase.
Das Endothel bildet die einschichtige Gefäßwandauskleidung, die den Blutstrom von den thrombogenen Strukturen des Subendothels trennt. Bei einem Endothelschaden der Gefäßwand und der nun offenliegenden thrombogenen subendothelialen Matrix kommt es im Rahmen der Hämostase zur Adhäsion ruhender, im Blut zirkulierender Thrombozyten an nun freiliegendes Kollagen. Dieser initiale Adhäsionsvorgang wird durch thrombozytäre Membranglycoprotein-Rezeptoren, die Integrine, gesteuert und resultiert in eine Formveränderung, Thrombozytenaktivierung und Freisetzung der Inhaltstoffe aus dem Speichergranula. Dabei interagiert das thrombozytäre Glycopro- tein VI direkt mit dem freiliegenden Kollagen und stabilisiert die Bindung. GPVI als wichtigster Kollagenrezeptor vermittelt nicht nur eine festere Bindung direkt an Kollagen, sondern vermittelt auch die Aktivierung anderer, zur Adhäsion notwendiger Rezeptoren. Nach der Adhäsion folgt als nächster Schritt in der Hämostase die Aggregation, die zu einer Anhäufung von Thrombozyten im Thrombus führt.
Daher spielt bei der Aktivierung der Blutplättchen das Glycoprotein VI (GPVI) als Kollagenrezeptor auf der Thrombozytenoberfläche eine entscheidende Rolle und gilt auch als Risikofaktor für Myokardinfarkte. Thrombozyten ohne GPVI zeigen keine Adhäsion an Kollagen und die Aktivierbarkeit und Aggregation ist deutlich herabgesetzt. Durch das Auftreten solcher Thromben ist die Versorgung des Gewebes mit Blut nicht mehr gewährleistet, so dass ischämische Zustände des distal des Thrombus gelegenen Gewebes eintreten können.
So machen Herz-Kreislauf-Erkrankungen, wie bspw. Angina oder Myokardinfarkt, gegenwärtig immer noch ca. ein Drittel aller weltweiten Todesfälle aus. Bei diesen Erkrankungen ist eine schnelle Reperfusion der von einer Ischämie betroffenen Koronararterien von äußerster Wichtigkeit, um eine Verletzung des Myokards zu verhindern.
Sowie der Blutfluss in einem Koronargefäß vermindert wird, treten irreversible Schäden an den Myozyten auf, die den Funktionsstoffwechsel im Myokard zum Stillstand bringen, wodurch es letztendlich zum Zelluntergang durch Nekrose und Apoptose kommt.
Wie weiter oben erwähnt, wird zur Wiederherstellung bzw. Therapie des normalen Herz-Kreislaufs gegenwärtig die transluminale perkutane Angioplastie in Verbindung mit einer Stent-Implantation eingesetzt. Nach Implantation des Stents ist zwar der freie Fluss durch das Gefäß wieder gewährleistet, jedoch ist das Gefäßendothel, das zwischen den zirkulierenden Blutzellen und der subendothelialen Matrix unter physiologischen Bedingungen eine Barriere darstellt, immer noch beschädigt. Daher stellt die Anhaftung von Blutplättchen und die darauf folgende Thrombenbildung und der daraus resultierende akute Myokardinfarkt eine Hauptkomplikation nach der Stent-Implantation dar.
Bei Reperfusion des ehemals durch einen Gefäßverschluss ischämischen Bereiches wird dieser wieder mit oxygeniertem Blut versorgt, wodurch der Zellschaden zum einen begrenzt wird, wobei jedoch dieser Prozess mit einer weiterführenden Myo- kardschädigung verbunden ist. Zur Akuttherapie des Myokardinfarkts werden gegenwärtig interventionelle Therapieverfahren, wie perkutane transluminale koronare Angioplastie, koronare Stent-Implantation, Laser-Ablationsangioplastie, etc. oder eine medikamentöse antithrombotische Therapie, wie Thrombolyse und Fibrinolyse, eingesetzt. Beide Therapieverfahren arbeiten auf das gleiche Ziel hin, nämlich auf die möglichst schnelle Wiedereröffnung des okkludierten Gefäßes und damit auf die obligatorische Reperfusion des ischämischen Gewebes.
Da gegenwärtig auch Stents eingesetzt werden, die mit Arzneimitteln beschichtet sind, welche nach der Implantation nach und nach freigesetzt werden, wird auch durch die freigesetzten Arzneimittel die Reendothelialisierung des behandelten Gefäßes herausgezögert, so dass die Stent-Thrombose eine äußerst kritische Komplikation dieses Verfahrens darstellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues Mittel für die Aufrechterhaltung der endothelialen Integrität zur Verhinderung einer arteriosklerotischen Plaqueerosion bereitzustellen, mit welchem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein bispezifisches Fusionsprotein gelöst, das (a) ein erstes Polypeptid aufweist, das an Kollagen bindet, und (b) ein zweites Polypeptid, das an endotheliale Vorläuferzellen bindet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollständig gelöst.
Erfindungsgemäß wird unter einem „Fusionsprotein" ein Hybridprotein bzw. ein artifizielles Protein verstanden, welches in vitro aber auch in vivo durch im Stand der Technik bekannte molekularbiologische oder chemische Verfahren herstellbar sind.
Vorläufer- (Progenitor-)zellen sind allgemein Abkömmlinge einer adulten Stammzelle, und weisen einerseits hinsichtlich ihrer Regenerationsfähigkeit Stammzelleigenschaften auf, und sind aber andererseits auf ihren künftigen Funktionsbereich festgelegt, wobei diese "Festlegung" noch umkehrbar ist. Als „endotheliale Vorläuferzellen" werden demnach im Blut zirkulierende Zellen bezeichnet, die die Fähigkeit haben, zu Endothelzellen zu differenzieren. Diese endothelialen Vorläuferzellen tragen spezifischen Zeiloberflächenproteine und können daher wiederum über an diese Zellober- flächenproteine bindende Polypeptide eingefangen werden.
Unter „Polypeptid" wird vorliegend jede Kette von mindestens zwei miteinander verbundenen Aminosäuren verstanden; der Begriff „Polypeptid" umfasst daher auch Proteine, die ebenso wie Polypeptide aus mehreren miteinander verbundenen Aminosäuren bestehen. Als "Protein" werden manchmal auch nur vollständige Moleküle in stabiler Form bezeichnet, wohingegen „Polypeptide" oder „Peptide" kürzere Aminosäurenketten ohne eine stabile 3-dimensionale Struktur verstanden werden. Da jedoch keine eindeutige Grenze zwischen diesen Begriffen zu ziehen ist, sind vorliegend definitionsgemäß mit dem Begriff „Polypeptide" explizit auch Proteine umfasst.
So kann das Fusionsprotein bspw. durch Konjugation zweier (oder mehrerer) Polypeptide mittels eines oder mehrer chemischer Reagenzien oder durch rekombinante DNA-Technologien hergestellt werden. Andererseits besteht die Möglichkeit, das Fusionsprotein durch Verwendung üblicher Expressionsvektoren zu generieren, die für das erfindungsgemäße Fusionsprotein codieren. Diese Expressionsvektoren werden in eine geeignete Zelle eingebracht, die dann das Fusionsprotein produziert.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung konnten in eigenen Versuchen zeigen, dass mit den erfindungsgemäßen Fusionsproteinen CD34+-Stammzellen an freigelegte Kollagenoberflächen rekrutiert werden können. Ferner konnten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung zeigen, dass durch die Rekrutierung der Stammzellen an das exponierte Kollagen nach einer bestimmten Zeit die Stammzellen in reife Endothelzellen gereift werden konnten, was zu einer Reendothelialisierung des verletzten Gewebes führte.
Mit den erfindungsgemäßen Fusionsproteinen ist es danach möglich, auf einfache und gezielte Weise die Reendothelialisierung und die Wiederherstellung von verletz- ten Gefäßen bzw. von jeglichem Gewebe, das durch eine Verletzung oder sonstige Einflüsse auf seiner Oberfläche Kollagen freigibt bzw. exponiert, durch die Besiede- lung mit Stammzellen und deren Reifung in Endothelzellen therapiert werden kann. Dadurch ist es möglich, die durch eine Stent-Implantation oder durch chemische Agenzien hervorgerufenen gefäßschädigenden Reaktionen zu verhindern, bzw. nach deren Auftreten erfolgreich zu behandeln.
Zur Zeit sind etwas 27 verschiedene Kollagene bekannt. Sie machen mit bis zu einem Viertel des Gesamtproteingewichts den größten Anteil an Proteinen im Körper aus. Kollagene setzen sich aus jeweils drei gleichen oder unterschiedlichen alpha-Ketten zusammen, die fest umeinander gewunden sind.
Endothel-Vorläuferzellen stellen eine zirkulierende, Knochenmarks-abgeleitete Zellpopulation großer nicht-leukozytärer Zellen dar, die offenbar bei der Gefäßreparatur und bei der Hämostase beteiligt sind. Mit dem erfindungsgemäßen bispezifischen Konstrukt konnten unter fließenden Bedingungen Stammzellen an verletzte menschliche Gewebe rekrutiert werden.
Ein Vorteil des Fusionsproteins ist ferner, dass die Substanz bspw. direkt über einen Ballonkatheter verabreicht werden kann, oder mit einer Stammzellpopulation koin- kubiert werden kann , bevor diese Zellen verabreicht werden, ohne dass eine schwierige und teure Beschichtung der Koronarstents vonnöten wäre. Das vorliegende Fusionsprotein stellt daher ein äußerst wirksames Werkzeug dar, mit welchem Stammzellen an verletzte Gefäßläsionen rekrutiert werden können, und stellt daher ein wirksames therapeutisches Konzept für die Behandlung von arterosklerotischen Krankheiten dar.
In einer Ausführungsform ist bevorzugt, wenn das Kollagen-bindende erste Polypeptid ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kollagen-Antikörper, Kollagenrezeptoren oder funktionelle Fragmente davon. Insbesondere ist bevorzugt, wenn der Kollagenrezeptor ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend thrombocytäres Glycoprotein VI (GPVI), Discoidin-Domain-Rezeptor 1 (DDR-I), Discoidin-Domain-Rezeptor 2 (DDR-2), oder funktionelle Fragmente davon.
Wie bereits eingangs erwähnt, stellt der Rezeptor GPVI den wichtigsten Rezeptor der Thrombozyten für Kollagen dar. GPVI ermöglicht die Aggregation, Sekretion, Formveränderung und Aktivierung der Blutplättchen. Humanes GPVI enthält eine Signalsequenz mit 20 Aminosäuren, eine extrazelluläre Domäne von 247 Aminosäuren, sowie eine 21 Aminosäuren lange Transmembran-Domäne und einen 51 Aminosäure langen cytoplasmatischen Schwanz.
Die Discoidin-Domain-Rezeptoren 1 (DDR-I) und 2 (DDR-2) sind Rezeptor- Tyrosinkinasen und sind durch die Discoidin-Domäne im extrazellulären Bereich des Rezeptors charakterisiert. Discoidin-Domain-Rezeptoren bestehen aus einer extrazellulären Discoidin-Domäne, einer Transmembrandomäne, einer langen juxta- membranen Domäne und einer intrazellulären Kinasedomäne. Ihre Bindung an Kollagen ist im Stand der Technik beschreiben worden (siehe bspw. Vogel et ah, „The discoidin domain receptor tyrosine kinases are activated by collagen", Mol. Cell (1997) 1:13-23). DDR-I umfasst 913 Aminosäuren, wobei die extrazelluläre Domäne die Aminosäuren 19 bis 416 umfasst; DDR-2 umfasst 855 Aminosäuren, die Aminosäuren 22 bis 399 bilden dabei die extrazelluläre Domäne.
Das erfindungsgemäße Fusionsprotein bindet mit den genannten Rezeptoren bzw. Rezeptor-Fragmenten als erstes Polypeptid an exponiertes Kollagen. Über das zweite Polypeptid, welches in dem Fusionsprotein enthalten ist, werden endotheliale Vorläuferzellen, also bestimmte Stammzellen, an das exponierte Kollagen rekrutiert, und zwar dadurch, dass die endothelialen Vorläuferzellen durch ihre spezifischen Oberflächenantigene, wie bspw. CD 133, an das die Antigene erkennende Polypeptid des Fusionsproteins binden. Die derart rekrutierten Stammzellen reifen nach einer bestimmten Inkubationszeit zu Endothelzellen und können dadurch das verletzte Gewebe regenerieren, wodurch Kollagen nicht mehr freigelegt und daher nicht mehr thrombozytär ist. In einer Ausführungsform ist bevorzugt, wenn das erste Polypeptid einen extrazellulären Anteil von GPVI, einen extrazellulären Anteil von DDR-I oder einen extrazellulären Anteil von DDR-2, oder funktionelle Fragmente davon, verbunden mit einer Immunglobulin-Fc-Domäne aufweist.
Hierbei ist von Vorteil, dass bspw. auf bereits lösliches GPVI zurückgegriffen werden kann, das zuvor im Stand der Technik beschrieben wurde, siehe Massberg et ah, „Soluble glycoprotein VI dimer inhibits platelet adhesion and aggregation to the injured vessel wall in vivo", FASEB J. 2004; 18: 397-399, wobei bezüglich der Herstellung von löslichem humanem GPVI auf diese Veröffentlichung explizit Bezug genommen wird. Lösliches GPVI zeigt nur als dimere Form in Verbund mit der Immunglobulin-Fc-Domäne Affinität zu Kollagen. Zur Generierung dieses löslichen GPVI wurde der extrazelluläre Anteil des humanen GPVI kloniert und mit der humanen Immunglobulin-Fc-Domäne verbunden. Dieses GPVI-Fc-Protein (im Folgenden lösliches GPVI-FC genannt) kann bspw. mit Hilfe von Adenoviren über eine humane HeLa-Zelllinie exprimiert werden. Mit diesem löslichen GPVI-Fc konnte sowohl in vitro als auch in vivo die Adhäsion an Kollagen nachgewiesen werden.
Es versteht sich für einen Fachmann, dass zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Funktion das Fusionsprotein nicht zwingend die vollständige bzw. identische Aminosäuresequenz des löslichen GPVI eingesetzt werden muss. Vielmehr wird die erfindungsgemäße Funktion des Fusionsproteins auch dann erfüllt, wenn das erste Polypeptid einen Abschnitt oder eine Sequenzvariante des löslichen GPVI aufweist, der bzw. die jedoch noch die Bindefunktion von GPVI in ggf. abgeschwächter Form ausübt. Bekanntermaßen werden die proteinogenen Aminosäuren in vier Gruppen unterteilt, nämlich in polare, nicht-polare, saure und basische Aminosäuren. Der Austausch einer polaren Aminosäure gegen eine andere polare Aminosäure, bspw. Glycin gegen Serin, führt in der Regel zu keiner oder nur einer geringfügigen Änderung der biologischen Aktivität des entsprechenden Proteins, so dass ein solcher Aminosäureaustausch das erfindungsgemäße Fusionsprotein in seiner Funktion weitgehend unberührt lässt. Vor diesem Hintergrund erfasst die vorliegende Erfindung auch ein solches Fusionsprotein, das als erstes Polypeptid eine Variante von löslichem GPVI, bei der eine oder mehrere Aminosäuren einer der genannten Aminosäure-Klassen gegen eine andere Aminosäure der selben Klasse ausgetauscht ist. Eine solche Sequenzvariante ist dabei vorzugsweise zu ca. 70 %, weiter vorzugsweise zu ca. 80 % und höchst vorzugsweise zu ca. 90 bis 95 % homolog zu der Aminosäuresequenz von löslichem GPVI.
„Fe" steht für „fragment crystallizable". Dieses Fragment entsteht durch Papain- Spaltung des IgG-Moleküls neben den beiden Fab-Fragmenten. Die Fc-Domäne besteht aus den gepaarten CH2- und Cκ3-Domänen einschließlich der Gelenkregion (engl, „hinge region") und enthält den Teil des Immunglobulins, der für die Dimeri- sierungsfunktion verantwortlich ist. Vorteilhafterweise kann hierbei auf käuflich erhältliche humane - oder Maus - Fc-DNA zurückgegriffen werden, die entweder aus käuflich erhältlichen cDNA-Bibliotheken durch PCR isoliert werden kann, oder die bereits in Plasmide kloniert vorliegt, welche wiederum käuflich erworben werden können (bspw. erhältlich von der Firma In vi trogen, San Diego, USA).
Es versteht sich, dass auch ein Fragment oder eine Variante der Fc-Domäne verwendet werden kann, ohne dass die erfindungsgemäße Funktion des ersten Polypeptids beeinträchtigt wird, solange das Fragment bzw. die Variante noch die ggf. abgeschwächte Dimerisierungsfunktion eines Antikörpers aufweist; vgl. vorstehende Ausführungen zum Fragment oder der Variante von GPVI, die für das Fragment oder die Variante von Fc gleichermaßen gelten.
Dabei wird vorzugsweise eine Variante der Fc-Domäne oder ein synthetisches Fc- Fragment eingesetzt, welches im Komplement- und Fc-Rezeptorbindungsbereich derart mutiert ist, dass eine Aktivierung des Immunsystems weitgehend reduziert wird und ggf. sogar ausbleibt. So kann bspw. ein Fc-Fragment eingesetzt werden, bei dem durch gezielte Mutagenese an der Position 331 ein Prolin gegen ein Serin und an den Aminosäurepositionen 234 bis 237 das Tetrapeptid Leu-Leu-Gly-Gly gegen AIa- Ala-Ala-Ala ausgetauscht wird. In einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt, wenn das erste Polypeptid eine Aminosäuresequenz mit der SEQ ID Nr. 3, 5 oder 7 aus dem beigefügten Sequenzprotokoll aufweist.
Die Aminosäuresequenz SEQ ID-Nr. 3 stellt die extrazelluläre Domäne des humanen GPVI dar, dessen Gesamtsequenz in SEQ ID-Nr. 1 wiedergegeben ist.
Die Aminosäuresequenz SEQ ID-Nr. 5 stellt die extrazelluläre Domäne des humanen DDR-I dar, dessen Gesamtsequenz in SEQ ID-Nr. 4 wiedergegeben ist, die Aminosäuresequenz SEQ ID Nr. 6 stellt die Sequenz von DDR-2 dar, dessen extrazelluläre Domäne in SEQ ID Nr. 7 dargestellt ist.
Das Fusionsprotein kann dabei ein erstes Polypeptid aufweisen, das von einem Abschnitt des Nucleinsäuremoleküls codiert wird, das die Nucleotidsequenz SEQ ID- Nr. 2 aus dem beiliegenden Protokoll aufweist.
Die Nucleotidsequenz SEQ ID-Nr. 2 stellt die für das humane GPVI codierende Nucleotidsequenz dar.
Es versteht sich, dass nicht nur die Nucleotidsequenz SEQ ID-Nr. 2 zur Herstellung der extrazellulären Domänen der Kollagen-Rezeptoren geeignet ist, sondern auch Varianten hiervon, die auf Grund der Degeneration des genetischen Codes für dasselbe Polypeptid codieren. So ist es bekannt, dass der genetische Code degeneriert ist, da die Anzahl der möglichen Codons größer ist als die Anzahl der Aminosäuren. Für die meisten Aminosäuren gibt es mehr als ein Codon, so dass bspw. Arginin, Leucin und Serin von bis zu sechs Codons codiert wird. In der Regel ist die dritte Codonposition begrenzt oder völlig austauschbar. Vor diesem Hintergrund wird auch ein solches Fusionsprotein bereitgestellt, bei dem das erste Polypeptid von einem Nucleinsäuremolekül codiert wird, das auf Grund der Degeneration des genetischen Codes gegenüber der Nucleotidsequenz SEQ ID-Nr. 2 an einzelnen Nucleotidpositio- nen abweicht, jedoch gleichermaßen für die extrazelluläre Domänen von GPVI und DDR-I bzw. DDR-2 codiert. Vorzugsweise weist eine solche Variante zu der Nucleo- tidsequenz SEQ ID-Nr. 2 ca. 70 % Homologie, weiter vorzugsweise ca. 80 % Homologie und höchst vorzugsweise ca. 90 bis 95 % Homologie auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt, wenn das zweite Polypeptid ein Antikörper ist, der gegen CD 133 gerichtet ist, oder funktionelle Fragmente davon.
Das Antigen CDl 33 wird auf hämatopoetischen und endothelialen Vorläuferstammzellen sowie auf einigen epithelialen Zellen exprimiert. Das Antigen stellt demnach einen Marker für diese Stammzellen dar, und ist im Stand der Technik hinreichend beschrieben worden (siehe bspw. Yin et ah, „CD133: A novel marker for human hematopoetic stem and progenitor cells", Blood (1997) 90:5002-5012). Über einen dieses Antigen erkennenden Antikörper können demnach die Stammzellen, die wiederum dieses Antigen aufweisen, durch Bindung an das zweite Polypeptid des Fusionsproteins an das Kollagen rekrutiert werden.
So kann bspw. ein anti-CD133-Antikörper ode rfunktionelle Fragmente davon eingesetzt werden, der gegenwärtig kommerziell erhältlich ist, wie bspw. der CD 133 Antikörper von Miltenyi Biotech (Klon W6B3C1), Bergisch Gladbach, Deutschland, oder der CD133 Antikörper der Firma abcam Inc. (32AT1672), Cambridge, Großbritannien.
Der Antikörper W6B3C1 wurde durch Immunisierung von Mäusen mit der Reti- noblastomzelllinie WERI-RB-I gewonnen.
Es versteht sich, dass jeder gegen CD 133 gerichtete Antikörper oder funktionelle Fragmente davon zum Zwecke der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Unter Einsatz des entsprechenden Antigens ist es unter Anwendung der im Stand der Technik üblichen Techniken (bspw. der Hybridomtechnik, siehe Köhler und Milstein, „Continuous cultures of fused cells secreting antibody of predefined specifi- city", Nature (1975) 256:495-7) möglich, weitere, neue Anti-CD133 Antikörper zu generieren.
Vorliegend bedeuten „funktionelle Fragmente" eines Antikörpers jegliche Antikörperabschnitte oder -teile, die die gleiche Funktion bzw. Bindespezifität wie der gesamte Antikörper, von dem sie abgeleitet sind, aufweisen.
Es versteht sich, dass ausgehend von im Stand der Technik bekannten Maus-anti CD133 -Antikörpern auch zunächst humanisierte Antikörper gewonnen werden können, die dann im Fusionskonstrukt eingesetzt werden. Bei humanisierten Antikörpern handelt es sich um rekombinante Antikörper, bei denen die Sequenzen für die hypervariablen Regionen (CDR) in menschlichen Immunglobulin-Genen gegen die CDR von Immunglobulin-Genen der Maus ausgetauscht sind. Durch diese Humanisierung wird die Antigenspezifität eines monoklonalen Antikörpers der Maus auf einen humanen Antikörper übertragen. Dadurch kann im Empfängerorganismus eine vollständige Toleranz gegenüber diesen Molekülen erzeugt werden, wodurch eine humane-Anti-Maus-Antikörper-Antwort und vermieden wird. Solche Antikörper werden auch als chimäre Antikörper bezeichnet.
In einer anderen Ausführungsform kann bei dem Fusionsprotein ein weiteres Peptid- element vorgesehen sein, das das erste Polypeptid mit dem zweiten Polypeptid verbindet. Auch hierdurch können die Polypeptide über eine Brücke, bzw. einem Linker verbunden werden, wobei gleichzeitig die Funktionalität der beiden Polypeptide., das heißt, also das spezifische Erkennen der jeweiligen Bindungsstellen, erhalten bleibt.
Die Erfindung betrifft ferner eine pharmazeutische und/oder diagnostische Zusammensetzung, die das Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist, sowie ggf. zumindest einen pharmazeutisch akzeptablen Träger sowie ggf. weitere pharmazeutisch und/oder diagnostisch wirksame Stoffe. Diagnostisch und pharmazeutisch akzeptable Träger mit ggf. weiteren Zusätzen sind im Stand der Technik allgemein bekannt und werden bspw. in der Abhandlung von Kibbe A., Handbook of Pharmaceutical Excipients, Third Edition, American Pharma- ceutical Association and Pharmaceutical Press 2000, beschrieben. Zusätze umfassen erfindungsgemäß jedwede Verbindung oder Zusammensetzung, die für eine diagnostische oder therapeutische Verwendung der Zusammensetzung vorteilhaft sind, worunter Salze, Bindemittel und weitere im Zusammenhang mit der Formulierung von Arzneimitteln üblicherweise verwendete Stoffe fallen.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Fusionsproteins zur Herstellung einer pharmazeutischen und/oder diagnostischen Zusammensetzung zur Behandlung von Läsionen von Gefäßen, wobei die Gefäße und/oder Gewebe ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Herzkranzgefäße, hirnversorgende Gefäße, extremitätenversorgende Gefäße, Bindegewebe, Knochen, sowie jedes Gefäß oder Gewebe, das Kollagen aufweist.
Mit einer erfindungsgemäß hergestellten Zusammensetzung, die das erfindungsgemäße Fusionsprotein enthält, wird ein äußerst wirksames Werkzeug zur Behandlung von Krankheiten bereitgestellt, deren Ursache die Läsion von Gefäßen bzw. Geweben ist, bei welchen als Folge thrombogenes Subendothel freiliegt, was zur Bildung von Thromben führen kann.
Dabei ist in einer Ausführungsform bevorzugt, wenn die Zusammensetzung zur Verabreichung über einen Ballon-Katheter hergestellt wird.
Alternativ ist bevorzugt, wenn die Zusammensetzung oder das Fusionsprotein mit einer Stammzelllösung vor der Zellverabreichung coinkubiert wird.
Dies hat den Vorteil, dass schwierige und teure Beschichtungsverfahren von Koronarstents vermieden werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Fusionsproteins, mit den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer löslichen Form des Glycoproteins VI (GPVI) und eines gegen CD 133 gerichteten Antikörpers; (b) Modifizieren der Ami- nogruppen von GPVI und des Antikörpers mit einem vernetzenden Agens; (c) Reduzieren von GPVI; und (d) Konjugieren des reduzierten GPVI mit dem in Schritt (b) modifizierten Antikörper.
Insbesondere ist bevorzugt, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das vernetzende Agens SPDP N-Succinimidyl-3-(2-pyridyldithio)-propionat) ist.
Alternativ kann auch jedes andere im Stand der Technik bekannte vernetzende Agens oder Kopplungsverfahren eingesetzt werden, wie bspw. die Verbindung über Thi- oether-Crosslinker, oder aber über die rekombinante DNA-Technologie.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Fusionsprotein bereitgestellt werden, das für einen diagnostischen/therapeutischen Zweck oder Einsatz geeignet ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch weiter zu spezifizierenden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Variationen oder in Alleinstellung möglich sind, ohne der Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird in dem nachstehenden Beispiel und in den Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausfuhrungsform des erfindungs- gemäßen bispezifischen Konstrukts, das gegen Kollagen und das Stammzellantigen CDl 33 gerichtet ist. Fig. 2 Die Rekrutierung von EPCs an exponiertes Kollagen durch ein spezifisches GPVI/CD133-Konstrukt, bestehend aus dem löslichen Kollagen- Rezeptor GPVI und einem gegen CD 133 gerichteten Antikörper führt zur Entwicklung von Endothelzellen in vitro: a) statisches Adhäsionsas- say; b) dynamisches Assay; c) Bildung von endothelialen Kolonien; d) Marker-Expression von CD31 und CD 146; e) Expression von vWF/Endoglin; f) Nachweis von Weibel-Palade-Körperchen im Elektronenmikroskop; g) spezifische verstärkte Adhäsion der EPCs, vermittelt durch GPVI-CD 133, an immobilisiertes Kollagen im Vergleich zu Fibronectin; h) wirksamere Rekrutierung von EPCs an Kollagen durch GPVI-CD133 als CXCL7; und
Fig. 3 Das GPVI-CD133-Konstrukt rekrutiert EPCs an Gefäßläsionen in vivo und verstärkt die Wiederherstellung der Gefäßintegrität: a), b) Verletzung der Halsschlagader von Versuchstieren und Injizierung von EPCs mit DCF-Färbung; c) Histologische Schnitte, analysiert durch Zwei- Photonen-Mikroskopie und mit DCF gefärbt; d) in situ Hybridisierung histologischer Schnitte mit einer humanen alu-Sequenz; e) HE-Färbung von Endothelzellen; in situ Hybridisierung mit einer alu-Sequenz; f) GPVI-CD 133 bewirkt ein signifikant verkleinertes Intima/Media- Verhältnis.
Beispiel:
Herstellung eines Bispezifischen Proteins/monoklonalen Antikörper-Konstruktes zur Rekrutierung von Knochenmarkstammzellen an Gefäßläsionen
Material und Methoden
Reagenzien Biocoll-Trennungslösung wurde bei Biochrom AG (Berlin, Deutschland), EBM als „BulletKit" (EGM) von Cambrex Bio Science (East Rutherford, New Jersey) käuflich erworben. Kollagen I, Kollagen III, Laminin, Vitronectin, Fibrinogen und Fibronectin wurden von BD Sciences (Heidelberg, Deutschland), menschliches VEGF von Pepro- Tech Inc. (Rocky Hill, N.J.), der primäre Maus-Antikörper anti-vWF und das Phalloi- din-AlexaFluor 488 von Chemicon (Temecula, CA) käuflich erworben. DAPI, Cy3- markierte sekundäre Antikörper (Ziegen-Anti-Maus) und das „Celltracker Vybrand DiD" wurde bei Molecular Probes/Invitrogen GmbH (Karlsruhe, Deutschland) käuflich erworben.
Isolierung und Kultivierung von CD34+-Zellen und CD133+-Zellen
Menschliche CD34+-Zellen und CD133+-Zellen wurden aus menschlichem Nabelschnurblut isoliert und wie von Lang et al. („Transplantation of a combination of CD133+ and CD34+ selected progenitor cells from alternative donors", British Journal of Haematology 2004; 124: 72-79) beschrieben, kultiviert. Die Spenderzellen wurden durch die Verabreichung von 1 x 10 μg/kg Granulocyten-stimulierender Faktor (G-CSF) für 5 Tage mobilisiert und durch 1 bis 3 Leukaphereseverfahren geerntet. Die Auswahl der Vorläuferzellen mit anti-CD34+- oder anti-CD133+- beschichteten Mikrokügelchen wurde mit der automatisierten CLINIMACS- Vorrichtung (Miltenyi Biotec, Bergisch Gladbach, Deutschland) durchgeführt. Vor und nach der Zellauftrennung wurden die Zellpopulationen mit Anti-CD34+- Anti- CD 133+-, Anti-CD3+-, AntiDC19+- und Anti-CD45+-Antikörpern gefärbt und durch Fluoreszenz-akti vierte Zellsortierungsgeräte (FACS) mit FACSCalibur-Instrumenten analysiert (Becton-Dickinson, Heidelberg, Deutschland).
Herstellung eines GPVI-CD133+mAB-Konstruktes
Um die Anhaftung von Stammzellen an exponiertes Kollagen zu bewirken, wurde ein bispezifisches Konstrukt (Fusionsprotein) hergestellt. Hierzu wurde lösliches GPVI-Fc und ein monoklonaler Antikörper gegen CDl 33 verwendet. Lösliches GPVI wurde, wie zuvor beschrieben, hergestellt, siehe hierzu Massberg et ah, siehe oben, wobei zur Herstellung des löslichen GPVI-Konstruktes explizit auf diese Veröffentlichung Bezug genommen wird. Kurz gesagt, wurde die extrazelluläre Domäne von GPVI an die humane Fc-Domäne fusioniert. Hierzu wurde Fc aus einer humanen Herz cDNA Bibliothek (Clontech, PaIo Alto, CA, USA) amplifiziert. Die Primer Paare und die Bedingungen für die Polymerase-Ketten-Reaktion finden sich in der zitierten Veröffentlichung von Massberg et al. Das PCR-Fragment wurde über Notl/Hindlll in das Plasmid pADTrack CMV kloniert. Für die Klonierung der extrazellulären Domäne von humanem GPVI wurde Gesamt-RNA aus kultivierten Megakaryozyten isoliert (RNeasy Mini Kit, Qiagen, Hilden, Deutschland). Nach einer reversen Transkription wurden 100 ng der generierten cDNA als Template für die PCR-Amplifizierung des humanen GPVI eingesetzt (Primer und PCR-Bedingungen siehe zitierte Veröffentlichung). Das PCR-Fragment wurde über Bglll/Notl in das Plasmid pADTrack CMV Fc kloniert, wodurch ein Plasmid gewonnen wurde, das die humane extrazelluläre Domäne von GPVI, fusioniert an die humane Fc Domäne, einschließlich einer spezifischen Hinge- Region, enthielt.
Der CD133-reaktive monoklonale Antikörper (mAb) W6B3C1 wurde durch Immunisierung von 6 Wochen alten weiblichen Balb/c-Mäusen (Charles River WIGA, Sulzfeld, Deutschland) mit der Retinoblastomzelllinie WERI-RB-I generiert. Die Spezifität des monoklonalen Antikörpers für CD133 wurde bei der 7. Internationalen Leukozytenkonferenz in England bestätigt (siehe Bühring et ah, „CD133 Cluster Report. In: Leucocyte Typing VII. White Cell Differentiation Antigens." Mason D et ah, (Eds.), Oxford University Press, Oxford, 20002, Seiten 622-623).
Zur Konjugation der beiden Proteine wurde das heterobifunktionale Reagens SPDP (N-Succinimidyl-3-(2-pyridyldithio)-propionat) gemäß dem Verfahren nach Carlsson et al., Biochem. J. 173:723 (1978), eingesetzt. Hierzu wurden die Aminogruppen der beiden Proteine mittels SPDP modifiziert. Das modifizierte GPVI-Protein wurde mit DTT (Dithiothreitol) reduziert und mit dem nicht-reduzierten, SPDP-modifiziertem CD133-Antikörper konjugiert. Die Konjugationsmischung wurde durch Gelfiltration über eine Superdex S200 Säule gereinigt. Eine schematische Darstellung des so gewonnenen bispezifischen Konstrukts ist in Fig. 1 gezeigt.
Statische und dynamische Adhäsionsassays
Statische Adhäsion. Um die Adhäsion der Vorläuferzellen an unterschiedliche extrazelluläre Matrixproteine mit oder ohne das Fusionsprodukt unter statischen Bedingungen zu bestimmen, wurden 96-well-Platten mit Kollagen I, Fibrinogen, Fibronectin oder Vitronectin (jeweils 10 μg/ml) übernacht beschichtet. In weiteren Versuchen wurden die mit Kollagen I beschichteten 96-well-Platten eine Stunde lang mit dem Fusionsprotein (lOμg/ml) vorinkubiert. Als Negativkontrolle dienten die einzelnen Komponenten des Konstrukts zusammen oder die einzelnen Komponenten alleine. Anschließend wurden die Vorläuferzellen hinzugefügt und eine Stunde inkubiert. Nach drei vorsichtigen Waschschritten mit Tyrodes-Puffer wurden die verbleibenden adhärierenden Vorläuferzellen mittels Phasenkontrastmikroskopie ausgezählt.
Dynamische Adhäsion. Hierzu wurden Glas-Objektträger mit Kollagen I (10 μg/ml) beschichtet (siehe Langer et al., Thromb. Haemost. 2005; 94:555-561) und in einer Fließkammer eingesetzt (Oligene, Berlin, Deutschland). Anschließend wurde das Fusionsprotein (10 μg/ml) zu der Kollagenoberfläche über 30 min hinzugefügt. Als Kontrolle dienten wiederum Versuche mit den einzelnen Komponenten zusammen oder mit den einzelnen Komponenten alleine. Die Perfusion wurde mit Stammzellen durchgeführt, die in Tyrodes-HEPES Puffer (HEPES 2,5 mmol/1; NaCl 150 mmol/1; KCl 1 mmol/1; NaHCO3 2,5 mmol/1, NaH2PO4 0,36 mmol/1; Glucose 5,5 mmol/1; BSA 1 mg/ml, pH 7,4, ergänzt mit CaCl2 1 mmol/1; MgCl2 lmmol/1; jeweils von Sigma, Taufkirchen, Deutschland) mit einer Scherrate von 2000 s-1. Sämtliche Versuche wurden in Echtzeit auf Video aufgezeichnet und off-line ausgewertet.
Kolonie-Bildungs-Assay und Flusszytometrie CD34+- Vorlauf erzeilen wurden auf humanem Kollagen I ausgesät unter den folgenden unterschiedliche Bedingungen: mit oder ohne Zusatz des GPVI-CD133- Konstruktes (10 μg/ml), beide einzelnen Komponenten des Konstruktes (negativ Kontrolle), Fibronectin (Becton Dickinson, Heidelberg, Deutschland) als positiv Kontrolle. Die Zellen wurden jeweils mehrere Tage in Wachstumsmedium for endotheliale Zellen MV2 mit 5 % Hitze-inaktiviertem fötalem Kälberserum, 5,0 ng/ml epidermaler Wachstumsfaktor, 0,2 μg/ml Hydrocortison, 0,5 μg/ml vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor , 10 ng/ml basischer Fibroblastenfaktor, 20 ng/ml R3 Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor- 1, und 1 μg/ml Ascorbinsäure (PromoCell, Heidelberg, Deutschland) kultiviert. Nach 48 Stunden wurden die nicht- adhärierenden Zellen entfernt. Endotheliale Kolonie-bildende Einheiten wurden an Tag 4 ausgezählt (Anzahl der Kolonien/106 Zellen). Die Zellen wurden gewaschen und in PBS resuspendiert, für 15 min mit Polyglobin (Bayer Vital; Leverkusen, Deutschland) inkubiert, gewaschen und anschließend mit FITC-markierten Antikörpern gegen CD31 (Klon 5.6; Beckman Coulter, Krefeld Deutschland) and CD164 (Klon 128018; R&D Systems Wiesbaden, Deutschland) 30 min lang bei Raumtemperatur inkubiert. Nach einem weiteren Waschschritt wurden die Zellen mit einem FACSCanto Flusszytometer (Becton Dickinson, Heidelberg, Deutschland) analysiert.
Transmissions-Elektronen-Mikroskopie und Immunfluoreszenz-Mikroskopie
Endotheliale Vorläuferzellen (EPC) (2 x 108/ml) wurden über acht Tage in Kulturmedium MV 2 (PromoCell) in Wells inkubiert, die mit dem GPVI-CD133+ mAb beschichtet waren. Darüber hinaus wurden täglich Phasenkon trast-Kon trollen durchgeführt. Anschließend wurden die Zellen in Karnovsky's Lösung fixiert, in Osmiumtetroxid nachfixiert und in Glycidether eingebettet, bevor die Mikroskopie durchgeführt wurde.
Für die Immunfluoreszenz-Mikroskopie wurden die Zellen zusätzlich mit Fluoreszenzmarkierten Antikörpern inkubiert. Zwischen jedem Inkubationsschritt wurden die Zellen vorsichtig mit PBS gewaschen. Die Stammzellen wurden in 2% Formaldehyd- lösung 20 Minuten lang fixiert. Anschließend wurden die Zellen mit 3 % Glycin gewaschen und 30 Minuten mit PBS inkubiert, das einen primären anti-vWF Antikörper (human; 5 μg/ml) enthielt. Die unspezifische Bindung wurde mit bovinem Serum-Albumin (3%, eine Stunde) verhindert. Im Anschluss daran wurde ein sekundärer Antikörper (Ziege-Anti-Maus; 5 μg/ml) für weitere 30 Minuten hinzugefügt. Ferner wurden Rhodaminphalloidin (5 μg/ml; Detektion des Zytoskeletts) und DAPI (5 μg/ml; Detektion des Zellnukleus) 30 Minuten lang beigefügt. Die Proben wurden mittels einer Standard-Immunfluoreszenz-Mikroskopie analysiert.
Ligatur der Halsschlagader und Untersuchung der EPC-Adhäsion durch intravitale Mikroskopie
Um den Effekt des GPVI-CD 133-Konstruktes auf die Rekrutierung von Progenitorzellen in vivo zu untersuchen, wurde eine intravitale Mikroskopie wie bereits anderswo beschrieben (siehe Massberg et ah, „A critical role of platelet adhesion in the initiati- on of atherosclerotic lesion formation", J. Exp. Med. 196: 887-896 (2002)) vorgenommen. Vor den Experimenten wurden die EPCs mit 5-Carboxyfluorescein- Diacetat-Succinimidylester (DCF) gefärbt und mit dem GPVI-CD 133-Konstrukt (10 μg/ml) oder beiden einzelnen Komponenten des Konstrukts (jeweils 10 μg/ml) 30 min inkubiert. Wild-Typ C57BL6/J-Mäuse (Charles River Laboratories) wurden durch intraperitoneale Injektion mit Midazolam (5mg/kg Körpergewicht); Ratiopharm), Medetomidin (0,5 mg/kg Körpergewicht; Pfizer) und Fentayl (0,05 mg/kg Körpergewicht; CuraMed/Pharam GmbH) betäubt. Polyehtylen-Katheter (Portex) wurden in die rechte Jugularvene implantiert und fluoreszierende EPCs (5xl05/mi) intravenös injiziert. Die rechte Halsschlagader wurden freigelegt und fünf Minuten lang nahe der Karotisgabel energisch ligiert, um eine Gefäßschädigung zu induzieren. Vor und nach der Gefäßschädigung wurde die Wechselwirkung der fluoreszierenden EPCs mit der verletzten Gefäßwand durch in situ in vivo Video-Mikroskopie der rechten Halsschlagader sichtbar gemacht, und zwar unter Verwendung eines Zeiss Axiotech Mikroskop (20 x Wasser-Immersions-Objektiv, W 20x/0,5; Carl Zeiss Microlmaging, Inc.) mit einer 100-W HBO Quecksilberlampe für die Epi-Illumination. Gebundene EPCs wurden als Zellen definiert, die mit der Gefäßwand einen initialen Kontakt aufbauten, gefolgt von einer langsamen Oberflächen-Translokation mit einer Geschwindigkeit, die signifikant langsamer ist als die mittlere Geschwindigkeit, oder durch eine feste Adhäsion. Die Anzahl der adhärierenden EPCs wurden durch Auszählung der Zellen, die sich nicht bewegten oder sich nicht innerhalb von 10 s von der Endothel-Oberfläche ablösten, bestimmt. Ihre Anzahl wird als Zellen/mm2 Endothel-Oberfläche angegeben.
Zwei-Photonen-Mikroskopie
Die Zwei-Photonen-Mikroskopie wurde weitgehend wie bereits von van Zan et ah, „Two-photon microscopy for imaging of teh artherosclerotic vascular wall: a proof of concept study", J. Vase. Res. 41: 54-63 (2004) beschrieben, durchgeführt. Kurz gesagt wurde die Mäuse nach der intravitalen Mikroskopie getötet, die Halsschlagadern vorsichtig entfernt und mit PBS gewaschen, in Paraffin eingebettet und 4 μm- Schnitte angefertigt. Anschließend wurden die Schnitte gefärbt und mit einem BioRad 2100MP nach dem Zwei-Photonen-Laserscan-Mikroskopie-(Two-Photon laser scanning microscopy, TPLSM)-Verfahren analysiert.
Ex vivo Untersuchung der EPC-Adhäsion an verletzte Gefäße von Schweinen
Nach der Isolierung wurden die Stammzellen mit Vybrant DiD 20 Minuten lang markiert und in EBM Medium resuspendiert. Menschliche Venen wurden in einen ex-vivo Fluss gegeben, in welchem das Gefäß aus Nährstoffgründen von Medium umgeben war. Die Gefäße wurden mittels eines Ballon-Katheters verletzt und anschließend mit dem GPVI-CD 133 mAb -Konstrukt 30 Minuten lang beschichtet. Anschließend wurden EPCs zwei Stunden lang durch die Venen geführt, um den Zellen eine Adhäsion an die verletzte Gefäßregion zu ermöglichen. Um die Stabilität der Adhäsion unter natürlichem physiologischen Scherstress zu testen, wurden die Venen danach gründlich mit EBM mit einer hohen Scherrate 24 Stunden lang bei 37°C gewaschen. Im Anschluss daran wurden die Gefäße aus dem Bioreaktor ent- fernt, 24 Stunden lang in 4 % PFA fixiert, und die Zell-Rekrutierung durch in situ Hybridisierung analysiert.
In vivo Untersuchung der Reendothelialisierung verletzter Gefäße
Wildtyp C57BL6/J-Mäuse wurden ähnlich dem Protokoll zur Untersuchung der in vivo Adhäsion (s.o.) behandelt. EPCs (5xlO5/ml), die mit dem GPVI-CD133-Konstrukt (10 μg/ml9 oder beiden einzelnen Komponenten des Konstruktes zusammen (jeweils 10 μg/ml) 2 Stunden lang behandelt waren, wurden die Wunden der rechten Jugu- larvene geschlossen; die Tiere blieben anschließend am Leben. Nach zwei Wochen wurden die Tiere getötet und Proben aus der Halsschlagader entnommen. Regenerierende endothliale Zellen wurden durch Hämatoxilin-Eosin-(HE)-Färbung untersucht. Daneben wurde eine Elastica-von-Giesson-Färbung durchgeführt. Um zwischen lokalen Regenerations-Mechanismen und der durch die humanen EPCs induzierten Heildung zu unterscheiden, wurden in situ Hybridisierungen unter Verwendung einer alu-Sequenz, die spezifisch für humane Zellen ist, vorgenommen.
Immunohistochemie von Paraffinschnitten
Immunohistochemie wurde unter Verwendung von Paraffinschnitten aus Maus- Gefäßen vorgenommen. Die Objektträger mit den Schnitten wurden mit Xylen ent- paraffinisiert (Carl Roth GmbH, Karlsruhe, Deutschland) und mit absteigenden Ethanol-Konzentrationen wieder rehydriert: 100%, 90%, 70%, 50 %. Anschließend wurden die Objektträger gründlich mit PBS gewaschen. Hierauf folgten jeweils 20- minütige Permeabilisierungs- und Blockierungsschritte mit PBS, das 0,1% Triton X- 100 (Fluka Chemie, Buchs, Schweiz) und 1% BSA (Rinderserumalbumin) Lösung (Sigma Aldrich, St. Louis, USA) enthielt. Anschließend wurden die Objektträger mit dem primären Antikörper anti-vWF (2,5 μg/ml) (Chemicon, Temecula, USA) über 12 Stunden bei 4°C inkubiert. Danach wurde der sekundäre Ziegen- anti-Kaninchen- Antikörper (5μg/ml) (Molecular Probes/Invitrogen, Karlsruhe, Deutschland) und 0,lμg/ml DAPI ( Carl Roth GmbH, Karlsruhe Deutschland) für weitere 120 min bei Raumtemperatur hinzugegeben. Die Objektträger wurden gründlich mit PBS gewaschen, mit destilliertem Wasser abgewaschen, getrocknet und mit Kaisers Gelatine bedeckt (Merck, Darmstadt, Deutschland) und analysiert.
Bestimmung der Neointima-Bildung
Männliche NOD/SCID Mäuse wurden gemäß einem Protokoll behandelt, das dem zuvor beschriebenen (siehe unter „Ligatur der Halsschlagader") ähnelt. Anstelle der Halsschlagaderligatur, wurde mittels eines Drahtes eine Verletzung herbeigeführt. Nach der Injektion von EPCs (5xlO5/ml), welche zuvor 30 min mit dem GPVI-CD- 133-Konstrukt (10 μg/ml) oder mit beiden einzelnen Komponenten des Konstrukts zusammen (jeweils 10 μg/ml) behandelt wurden, in die Schwanzvene, wurden die Wunden verschlossen und die Tiere am Leben erhalten. Nach 14 oder nach 21 Tagen wurden die Tiere getötet und die Halsschlagaderproben entnommen. Diese wurden in Paraffin-Blöcke eingebettet und vom proximalen bis zum distalen Ende in 5-μm- Schnitte geschnitten. 10 Abschnitte abwärts der Karotisgabel wurden für die Quantifizierung oder die Plaque-Bildung eingesetzt. Die Neointima-Bildung wurde im Querschnitt unter Verwendung einer Bildgebungs-Analyse-Software (Zeiss) bestimmt. Die Neointima wurde für jedes Tier als der Unterschied zwischen dem Bereich, der durch die interne elastische Lamina begrenzt ist, und dem Lumen-Bereich bestimmt. Auf ähnliche Weise wurde die Media bestimmt, und zwar als der Unterschied zwischen dem Bereich, der durch die interne elastische Lamina begrenzt ist, und der äußeren elastischen Lamina. Die Ergebnisse sind dargestellt als Neointima geteilt durch Media (Intima/Media- Verhältnis).
Bestimmung des vaskulären Resistenzindex durch Duplex-Sonographie
Die Tiere wurden betäubt und die Halsschlagadern wurden mittels Duplex- Sonographie wie zuvor beschrieben (siehe Massberg et άl., „A critical role of platelet adhesion in the initiation of atherosclerotic lesion formation", J. Exp. Med. 196:887- 896 (2002)) visualisiert. Kurz gesagt wurde die maximale systolische Fließgeschwin- digkeit V575 und die endodiastolische Fließgeschwindigkeit Vdia bestimmt. Der Resistenzindex der Halsschlagader wurde als der Unterschied zwischen Vsys und Vdia getrennt durch Vsys bestimmt.
Darstellung der Daten und Statistik
Die Vergleiche zwischen den Guppen-Mittelwerten wurden unter Verwendung der ANOVA Analyse oder des Student's t-Test durchgeführt. Die Daten werden als Mittelwerte + Standard-Abweichung dargestellt. P<0,05 wurde als statistisch signifikant erachtet.
Ergebnisse
Unter Verwendung von aus dem Knochenmark abgeleiteten humanen Stammzellen wurde zunächst die Adhäsion von EPCs an immobilisiertes Kollagen I in einem statischen Adhäsions-Assay sowie unter arteriellen Seher-Bedingungen in einem Flusskammer-Modell untersucht.
Bei dem statischen Adhäsions-Assay wurden 96-Well-Platten mit Kollagen I beschichtet und mit dem beschriebenen Produkt (10 μg/ml) für eine Stunde inkubiert. Anschließend wurden EPCs (CD34+ Zellen) hinzugefügt, 60 Minuten inkubiert und mit PBS gewaschen. Nach Inkubation der Kollagen-Oberfläche mit dem GPVI-CD133- Konstrukt („ GPVI-CD 133", 10 μg/ml) war die Adhäsion um das 5-fache verstärkt um Vergleich zu Kollagen alleine (siehe Fig. 2a; statisches Modell) und bei dem Flusskammer-Modell (2000 sec 1) um das 10-fache (Fig. 2b). Kein Anstieg in der Adhäsion konnte bei einem Einsatz der zwei einzelnen Komponenten des Konstruktes beobachtet werden (jeweils 10 μg/ml) Die mittlere und die Standardabweichung von 4 unterschiedlichen Experimenten ist dargestellt. * bedeutet p= 0,021 in d Fig. 2a, und p= 0,025 in Fig. 2b. Dies bedeutet, dass das Konstrukt unter physiologischen Fluss- Bedingungen sogar effizienter ist. Ferner konnte in weiteren Versuchen gezeigt werden, dass die verstärkte Adhäsion der EPCs, die durch das GPVI-CD133-Konstrukt erreicht wurde, für immobilisiertes Kollagen spezifisch war im Vergleich zu Fibronec- tin (siehe Fig. 2g).
In sämtlichen Figuren ist der Einsatz des Konstrukts mit „GPVI-CD133" bezeichnet, und der Einsatz der einzelnen Komponenten zusammen mit „GPVI + CD 133".
Kürzlich wurde gezeigt, dass das Chemokin CXCL7 die Chemotaxis und die Adhäsion von EPCs an Komponenten der extrazelluläre Matrix bedeutend steigern kann. Diesbezüglich konnte in weiteren Versuchen gezeigt werden, dass das GPVI-CD133- Konstrukt noch wirksamer eine Rekrutierung der EPCs an immobilisiertes Kollagen bewirken kann als CXCL7 (siehe Fig. 2h).
Nachdem die EPCs gebunden sind, werden sie in die Endothelschicht integriert, um zu der Wiederherstellung der Gefäßintegrität beizutragen. Daher wurde in anschließenden Versuchen gezeigt, dass nach Einsatzes des Konstruktes die Zellen nicht ihre Fähigkeit zur Differenzierung in Endothelzellen verlieren. Darüber hinaus konnte nach der Exposition gegenüber dem Konstrukt eine schnelle Änderung in der Morphologie beobachtet werden, weg vom kleinen, rundlichen Erscheinungsbild der EPCs hin zu einer eher Endothelzellen-Form. Nach Inkubation mit dem Konstrukt über 4 Tage hinweg, war das Potential der EPCs, endotheliale Kolonien zu bilden, signifikant verstärkt im Vergleich zu gleichen Versuchen, die mit den einzelnen Komponenten durchgeführt wurden (Negativ Kontrolle), und ähnlich zu der positiv Kontrolle Fibronectin (Siehe Fig. 2c; Anzahl der Kolonien/ 106 eingesetzter Zellen). Die mittlere ± Standardabweichung von 3 bis 5 unabhängigen Experimenten ist gezeigt. * entspricht p=9,001.
Darüber hinaus, konnte mit der Flusszytometrie gezeigt werden, dass die sich entwickelnden Zellen positiv für die Zellmarker CD31 und CD146 sind, die endotheliale Oberflächenmarker darstellen (siehe Fig. 2d). Ferner konnten die Zellen positiv für die Marker vWF/Endoglin und Phalloidin gefärbt werden, die Marker reifer Endothelzellen darstellen. Der Nachweis erfolgte über Standard oder konkf okaler Immunfluo- reszenz-Mikrosopie (siehe Fig. 2e). Ferner konnten nach einer Inkubation mit dem Konstrukt für 8 Tage in der Transmissions-Elektronen-Mikroskopie eindeutig Weibel- Palade-Körperchen nachgewiesen werden, ein typsiches Merkmal reifer Endothelzel- len (Fig. If; gezeigt mit <-, « 300 nm x 60 nm; Vergrößerung x 80000). In unbehandelten CD34+ konnten keine Weibel-Palade Körperchen gefunden werden.
Um diese Ergebnisse in vivo zu bestätigen, wurde eine in vivo Fluoreszenz- Mikroskopie und ein Maus-Modell mit beschädigter Halsschlagader eingesetzt. Vor einem energischen Beschädigen der linken Halsschlagader, wurden mit DCF gefärbte EPS über die rechte Jugularvene injiziert, und die EPC-Adhäsion vor, nach 5 min, und nach 30 min nach der Verletzungs-Zufügung untersucht. Die Anzahl der adhärieren- den EPCs war bedeutend angestiegen, wenn die Zellen zuvor mit dem GPVI-CD133- Konstrukt („ GPVI-CD 133", 10 μg/ml) inkubiert wurden, im Vergleich zu den einzelnen Komponenten des Konstruktes („GPVI + CD133", jeweils lOμg/ml) alleine (siehe Fig. 3a, b). * bedeutet p=0,038 (feste Adhäsion), p= 0,025 (transiente Adhäsion).
Nach diesen Untersuchungen wurden die Halsschlagadern entfernt und mittels Zwei- Photonen-Mikroskopie untersucht. Eine offensichtliche Anreicherung grüner (DCF- gefärbter) Zellen mit einem roten Nucelus konnte im Bereich der Denudaiton der luminalen Seite der Elastica interna beobachtet werden (Fig. 3c).
Um diese Ergebnisse auf ein dem Menschen vergleichbares System zu übertragen, wurden ein ex vivo Fluss-Modell eingesetzt. Hierzu wurden vor dem EPC-Einsatz und nach Perfusion für 2 Stunden die Gefäße von Schweinen mit einem Ballon-Katheter beschädigt. Anschließend wurden die Gefäße fixiert und die Rekrutierung der Zellen durch in situ Hybridisierung mit einer für Menschen spezifischen Sequenz untersucht. Die Rekrutierung der Stammzellen konnte durch den Einsatz des GPVI-CD133- Konstruktes bedeutend gesteigert werden, im Vergleich zu unverletzten Gefäßen (ungefär 50-fach, nicht gezeigt), zu verletzten Gefäßen, bei denen das Konstrukt nicht zum Einsatz kam (ungefähr 25-fach), oder wenn die beiden Komponenten des Konstrukts alleine eingesetzt wurden (ungefähr 10-fach) (Fig. 3d). * bedeutet p< 0,001 im Vergleich mit den beiden einzelnen Komponenten des Konstrukts.
Nach Exponierung der verletzten Mausarterien gegenüber EPCs, die mit dem bispezifischen Konstrukt behandelt waren, jedoch nicht nach einer Exponierung gegenüber den beiden einzelnen Komponenten alleine, über einen Zeitraum von acht Tagen ex vivo (Daten nicht gezeigt), oder über 14 Tage in vivo, konnte eine Gewinnung von Endothelzellen beobachtet werden (Fig. 3e; HE- Färbung). Um zwischen den Effekten, die durch die verabreichten Zellen verursacht wurden, und den Effekten, die durch lokale Regenerationsmechanismen verursacht wurden, zu unterscheiden, wurden immunodefiziente NOD/SCID Mäuse mit menschlichen EPCs behandelt. Anschließend wurden in situ Hybridisierungen unter Verwendung einer Alu Sonde durchgeführt. Diese spezifische Alu Sonde entspricht der Konsensussequenz menschlicher Alu Repeats und ermöglicht eine definitive Detektion menschlicher Zellen in Xe- notransplantaten. Hierzu wurden die Mäuse 14 Tage nach Verletzung der Halsschlagader und nach Verabreichung von Zellen getötet. Intraluminale Zellen, die sich als positiv in der Färbung erwiesen, wurden als von menschlichen Zellen abgeleitete Zellen bestimmt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Neoendothelialisierung von Gefäßläsionen im Wesentlichen von extern injizierten EPCs herrührte.
Um ferner die funktionelle Bedeutung von GPVI-CD 133 für die Gefäßneubildung in vivo einzuschätzen, wurde die Neointimabildung nach einer mit einem Draht zugefügten Verletzung untersucht. Zwei Wochen nach der Induktion der Verletzung wurde eine Tendenz in Richtung eines reduzierten Intima/Media- Verhältnisses und eines abgesenkten Gefäßresistenzindex beobachtet, ohne statistische Signifikanz, was durch Duplex-Sonographie bestimmt wurde (Daten nicht gezeigt). Auffallenderweise resultierte die Verabreichung von GPVI-CD 133 in ein signifikant verkleinertes Intima/Media- Verhältnis 3 Wochen nach Induktion einer Verletzung der Halsschlagader, was auf den erwünschten Effekt bei der Gefäßneubildung hindeutet (Siehe Fig. 3f). Auch bei diesen Versuchen wurde wieder entweder das Konstrukt (GPVI-CD 133) oder die einzelnen Komponenten zusammen verabreicht (GPVI + CD133). In dem Diagramm von Fig. 3f bedeutet „*" p = 0.03 verglichen mit der Kontrolle; n = 5-6; pro Tier wurden 10 Abschnitte analysiert.
Zusammenfassend konnten die Erfinder somit zeigen, dass es mit dem erfindungsgemäßen Fusionsprotein (oben stehend und nachstehend auch als „Konstrukt" bezeichnet) EPCs (also CD34+-Stammzellen) an exponierte Kollagen-Oberflächen und verletzte Gefäße in vitro, in vivo und in humanen Gefäße angereichert werden konnten. Ferner konnten die Erfinder zeigen, dass eine längere Inkubation der Stammzellen mit dem Fusionsprotein die Differenzierung in reife Endothelzellen in vitro erreicht werden kann.
Für eine mögliche Therapie verletzter Gefäße/Gewebe bedeutet dies, dass das Fusionsprotein bzw. davon abgeleitete Varianten bspw. über einen Katheter in die entsprechenden Gefäße eingeführt werden kann, oder aber vor einer Verabreichung von Stammzellen mit diesen coinkubiert wird.
Die Ergebnisse zeigen, dass es mittels des erfindungsgemäßen Fusionsprotein möglich ist, zirkulierende endotheliale Vorläuferzellen an Kollagen-reiche Gefäßläsionen einzufangen, was sowohl durch in vitro als auch durch in vivo Versuche gezeigt werden konnte. Darüber hinaus verstärkte das Fusionsprotein die Differenzierung von endothelialen Vorläuferzellen (EPCs) in Endothelzellen und verstärkt die Reen- dothelialisierung von Gefäßläsionen.

Claims

51Patentansprüche
1. Bispezifisches Fusionsprotein, aufweisend:
(a) ein erstes Polypeptid, das an Kollagen bindet, und
(b) ein zweites Polypeptid, das an endotheliale Vorläuferzellen bindet.
2. Fusionsprotein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Polypeptid ein Peptid aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kollagen- Antikörper, Kollagenrezeptoren, oder funktionelle Fragmente davon.
3. Fusionsprotein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollagenrezeptor ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend thrombocytäres Glycopro- tein VI (GPVI), Discoidin-Domain-Rezeptor 1 (DDR-I), Discoidin-Domain- Rezeptor 2 (DDR-2), oder funktionelle Fragmente davon.
4. Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Polypeptid einen extrazellulären Anteil von GPVI, einen extrazellulären Anteil von DDR-I, einen extrazellulären Anteil von DDR-2, oder funktionelle Fragmente davon, verbunden mit einem dimerisierenden Polypeptid aufweist.
5. Fusionsprotein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dimerisie- rende Polypeptid eine Fc-Domäne eines Immunglobulins oder ein Fragment oder eine Variante davon aufweist, das bzw. die die Dimerisierungsfunktion der Fc-Domäne aufweist. 52
6. Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Polypeptid die Aminosäuresequenz SEQ ID-Nr. 3, 5 oder 7 aus dem beigefügten Sequenzprotokoll aufweist.
7. Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Polypeptid an das Antigen CD 133 bindet.
8. Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Polypeptid ein Antikörper ist, der gegen CD 133 gerichtet ist, oder funktionelle Fragmente davon.
9. Nucleinsäuremolekül, das für das Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 8 kodiert.
10. Pharmazeutische und/oder diagnostische Zusammensetzung, die das Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, sowie ggf. zumindest einen pharmazeutisch akzeptablen Träger sowie ggf. weitere pharmazeutisch und/oder diagnostisch wirksame Stoffe aufweist.
11. Verwendung des Fusionsprotein nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung einer pharmazeutischen und/oder diagnostischen Zusammensetzung zur Behandlung von Läsionen von Geweben und Gefäßen, bei welchen Kollagen exponiert ist.
12. Verwendnug des Fusionsproteins nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Reendothelialisierung von Gefäßläsionen eingesetzt wird.
13. Verwendung des Fusionsprotein nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das die Gefäße und/oder Gewebe ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Herzkranzgefäße, Herzkranzgefäße, hirnversorgende Gefäße, 53
extremitätenversorgende Gefäße, Bindegewebe, Knochen, sowie jedes Gefäß oder Gewebe, das Kollagen aufweist.
14. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammensetzung zur Verabreichung über einen Ballonkatheter hergestellt wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Fusionsproteins mit den folgenden Schritten:
(a) Bereitstellen (i) eines Polypeptids, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: eine lösliche Form des Glycoproteins VI (GPVI), eine lösliche Form des Discoidin Domain Rezeptors 1 (DDR-I), oder eine lösliche Form des Discoidin Domain Rezeptors 2 (DDR-2), und (ii) eines gegen CD 133 gerichteten Antikörpers;
(b) Modifizieren der Aminogruppen von GPVI, DDR-I oder DDR-2, und des Antikörpers mit einem vernetzendem Agens;
(c) Reduzieren von GPVI, DDR-I, oder DDR-2; und
(d) Konjugieren des reduzierten GPVI, DDR-I oder DDR-2 mit dem in Schritt (b) modifizierten Antikörper.
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