WO2020249575A1 - Method for developing aptamer structures - Google Patents

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WO2020249575A1
WO2020249575A1 PCT/EP2020/065998 EP2020065998W WO2020249575A1 WO 2020249575 A1 WO2020249575 A1 WO 2020249575A1 EP 2020065998 W EP2020065998 W EP 2020065998W WO 2020249575 A1 WO2020249575 A1 WO 2020249575A1
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WO
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aptamers
group
aptamer structures
aptamer
structures
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/065998
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German (de)
French (fr)
Inventor
Guido Dartmann
Gerd ASCHEID
Anke Schmeink
Gernot Marx
Lukas Martin
Christoph Thiemermann
Thomas BÄCK
Original Assignee
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6811—Selection methods for production or design of target specific oligonucleotides or binding molecules
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16B—BIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
    • G16B35/00—ICT specially adapted for in silico combinatorial libraries of nucleic acids, proteins or peptides
    • G16B35/20—Screening of libraries

Definitions

  • the invention relates to a method for developing aptamer structures based on a group of aptamers with different aptamer structures.
  • Aptamers are short single-stranded DNA or RNA oligonucleotides or peptides that are able to recognize and specifically bind target molecules due to their three-dimensional shape. If the aptamer is a peptide, it is often referred to as a peptide aptamer.
  • the specific binding of the aptamers to the target molecule enables the detection, detection and measurement of certain substances, for example. Furthermore, aptamers open up possibilities in the treatment of diseases, medical diagnostics and can be used as a basis for biosensors or in environmental analysis.
  • Target molecules can be complex structures such as whole cells or organisms as well as small molecules that only consist of a few atoms.
  • the appropriate aptamer In order for a corresponding target molecule to be recognized and bound, the appropriate aptamer must first be found. The search for the right aptamers and their structures is like a gigantic mediation of partnerships on a molecular level.
  • Aptamers are usually produced according to the criterion of the highest possible specific binding affinity for a selected target molecule. For this purpose, large random libraries of aptamers with different aptamer structures are created and, using a cycle process (SELEX method, systematic evolution of ligands through exponential enrichment), the aptamers that bind the target molecule the most are found. The aptamer candidates are mixed with immobilized target molecules and the unbound molecules are washed away. What remains are candidates who have a high affinity for the target molecule. These are multiplied via polymerase chain reaction (PCR) and a new cycle of binding and Washing away the more weakly bound candidates. After several passes, one or two aptamers are obtained which have a high binding affinity to the target molecule.
  • PCR polymerase chain reaction
  • this method is not able to select aptamers or aptamer structures with regard to possible effects and / or therapeutic effects, since the selection criterion is the affinity for binding to the target molecule.
  • the selection criterion is the affinity for binding to the target molecule.
  • complex tests on cells and / or on test animals are necessary. Therefore, the development of new aptamer structures for therapeutic purposes is very expensive and the risk of failure is considerable.
  • the object of the invention is to provide a method in which aptamer structures are also developed with a view to a therapeutic effect and which at the same time can be carried out with little effort.
  • a method for developing aptamer structures based on a group of aptamers with different aptamer structures comprising an in-vitro / in-vivo cycle, an in-silico model and an in-silico cycle, with the steps:
  • step a Using the selected subgroup of aptamer structures to provide a first group of aptamers with different aptamer structures in step a).
  • the core of the invention is thus the combination of the in-vitro / in-vivo cycle process with the in-silico cycle process, the two cycle processes being connected to one another via the in-silico model.
  • the process itself is designed as a circular process.
  • the method uses a combination of computer-aided steps (in-silico) and steps that are carried out in a test tube (in-vitro) and / or in a test animal (in-vivo) to develop aptamer structures. Due to the combination of the in-vitro / in-vivo cycle with the in-silico model and the in-silico cycle, the development of aptamer structures can be greatly accelerated.
  • the method according to the invention includes the therapeutic effect of an aptamer in the development of aptamer structures through the in-vitro / in-vivo cycle process and through the use of the in-silico model. The method thus leads to an increase in efficiency and the success rate in the development process.
  • the first group of aptamers with different aptamer structures is provided in the first step a).
  • the first group of aptamers is understood to mean a group of short single-stranded DNA or RNA oligonucleotides or a group of peptides.
  • the aptamers in the first group have different aptamer structures, in other words: the individual aptamers in the first group have different nucleotide sequences or peptide sequences.
  • the aptamer is the oligonucleotide or peptide and the aptamer structure is the corresponding base sequence or peptide sequence.
  • this first group of aptamers is introduced into the in-vitro / in-vivo cycle.
  • the fitness values of the aptamers of the first group are determined by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process.
  • the fitness value of the aptamer is a key figure for the therapeutic effect that the aptamer exerts. It is possible that several different measurement results together determine the fitness value of the aptamer.
  • the fitness value can be represented by a vector with different entries for the different measurement results.
  • the fitness value can be a vital value of a test animal, a concentration value of a messenger substance in a cell or a combination of the two.
  • the fitness value is known for each aptamer structure that is represented in the first group of aptamers, since it was determined by means of the measurement for the aptamer that has this aptamer structure.
  • the fitness values determined in step c) and the respective associated aptamer structures are used to train the in-silico model.
  • the in-silico model links the aptamer structure with the respective fitness value. It can be a mathematical model that models the biological processes, such as a system of coupled differential equations.
  • the in silico model can be a data-based model, such as a neural network.
  • the in-silico model is preferably designed to be adaptable so that it maps the biological processes in an improved manner based on the training with the fitness values and the aptamer structures.
  • step e) of the process the aptamer structures of the first group of aptamers are introduced into the in-silico cycle.
  • a second group of aptamer structures based on the introduced aptamer structures then takes place in the further step f).
  • step f) the second group of aptamer structures are created with the aid of an algorithm, specifically on the basis of the aptamer structures of the first group of aptamers.
  • the provision of the second group of aptamer structures can include, for example, selecting and / or changing the aptamer structures of the first group of aptamers. For example, some aptamer structures of the first group can be selected at random and changed, so that the second group Provide aptamer structures. Alternatively, the aptamer structures can also be selected on the basis of the fitness values.
  • the further step g) also takes place in the in-silico cycle process, with the fitness values of the second group of aptamer structures being determined using the trained in-silico model.
  • the in silico model that was trained in step d) is therefore used in step g) as a prediction model in order to determine the fitness values of the second group of apta merstructures.
  • the fitness values of the aptamer structures of the second group of aptamer structures are known.
  • step h a selection of a subgroup of aptamer structures from the second group of aptamer structures then takes place on the basis of these previously determined fitness values. For example, those aptamer structures of the second group of aptamer structures can be selected which have a particularly high predicted fitness value.
  • step i) the selected subgroup of aptamers is then used to provide the first group of aptamers with different aptamers in step a). In other words, this closes the cycle, because the subgroup aptamer structures is used to produce aptamers for the in vitro / in vivo cycle.
  • the method according to the invention is itself a cycle.
  • a preferred development of the invention provides that the steps of the method are carried out several times as an overall cycle process.
  • the determination of the fitness values of the aptamer by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process (step c) and the selection of the aptamer structures subgroup from the second group of aptamer structures based on the fitness values determined in the in-silico cycle process (step h ) ensure that the aptamer structures are developed in a therapy-oriented manner.
  • running through the method according to the invention multiple times enables the in-silico model in Step d) is trained with new fitness values and aptamer structures and so its predictive power is constantly improved.
  • step a) the provision of the first group of aptamers with different aptamer structures comprises a synthesis of aptamers with the different aptamer structures.
  • the provision in step a) is therefore a synthesis process in which the first group of aptamers is chemically synthesized and not biologically expressed.
  • the method comprises two cycle processes, namely the in-vitro / in-vivo cycle process and the in-silico cycle process, the method itself being designed as a cycle process.
  • the method in the in-si lico cycle process after step h) additionally includes the following step: hl) using the selected subgroup of aptamer structures as aptamer structures of the first group of aptamers to provide a second group of aptamer structures in the in-silico cycle process in step f).
  • the in-silico cycle is designed in such a way that it can be carried out several times independently of the in-vitro / in-vivo cycle.
  • the subgroup of aptamer structures selected in step h) on the basis of the determined fitness values from the second group of aptamer structures is therefore used again in the in-silico cycle process in order to provide a further second group of aptamer structures in step f).
  • the selection of the subgroup of aptamer structures from the second group of aptamer structures in step h) in the in-silico circle process takes place on the basis of the previously determined fitness values.
  • the selection criterion for the in-silico cycle process is how high the expected therapeutic benefit of a particular aptamer structure is.
  • the expected therapeutic benefit is predicted by means of the in silico model, in that the fitness values of the second group of aptamer structures are determined in step g).
  • the provision of the second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers provides a second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers by means of an evolutionary algorithm.
  • the second group of aptamer structures which is provided on the basis of the aptamer structures of the first group of aptamers, is thus provided by means of the evolutionary algorithm.
  • the evolutionary algorithm evolves the aptamer structures of the first group of aptamers based on natural processes in order to provide the second group of aptamer structures. It can be provided that the evolutionary algorithm changes (mutates) the aptamer structures of the first group of aptamers according to the random principle in order to provide the second group of aptamer structures. Alternatively or in addition, it can be provided that the evolutionary algorithm combines (crosses) the aptamer structures of the first group of aptamers with one another in order to provide the second group of aptamer structures.
  • a preferred development of the invention provides that in step f) the provision of the second group of aptamer structures on the basis of the aptamer structures of the first group of aptamers includes provision of various base and / or peptide sequences.
  • the evolutionary algorithm thus preferably changes the base and / or peptide sequence of the aptamer structures of the first group of aptamers in order to provide the second group of aptamer structures.
  • the method in the in-vitro / in-vivo cycle process according to step c) additionally comprises the following steps: cl) selecting a subgroup of aptamers from the first group of aptamers on the basis of a binding affinity of the aptamers to one Target molecule, and
  • step b) Using the selected subgroup aptamers as the first group of aptamers for incorporation into the in-vitro / in-vivo cycle in step b).
  • the in-vitro / in-vivo cycle is also designed in such a way that it can be carried out independently of the in-silico cycle.
  • the selection criterion is not closed expected therapeutic benefit, but rather the binding affinity of the aptamer for the target molecule.
  • step c) additionally comprises the following steps:
  • the selected aptamers are changed by mutation in the in-vitro / in-vivo cycle process.
  • the selection criterion is still the binding affinity of the apta mer for the target molecule.
  • the fitness values of the aptamers are also determined.
  • the fitness value of the aptamer is a key figure for the therapeutic effect that the aptamer exerts.
  • a preferred development of the invention provides that in step c) the determination of fitness values of the aptamers of the first group by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process involves determining an effect of the aptamers on a cell, a cell process and / or comprises an experimental animal. In order to measure the fitness value, the effect of the aptamers on a cell, a cell process and / or an experimental animal is preferably determined.
  • the aptamer is therefore preferably determined at different times after the aptamer has been introduced onto the cell, the cell process and / or the test animal.
  • the in-silico model is trained with the measured fitness values.
  • a preferred development of the invention provides that in step d) the training of the in-silico model by means of the determined fitness values and the aptamer structures includes training of a neural network and / or a Petri network.
  • the in-silico model is therefore preferably a neural network and / or a Petri network.
  • Petri nets in particular are suitable for describing descriptive systems biological models for cellular processes and / or for systemic interactions between medicament and organism.
  • state-based models Petri nets require that the fitness values with which the Petri nets are trained are determined as a function of time.
  • Neural networks are essentially data-driven models that are trained using the measured fitness values and the aptamer structures. They have the advantage that stationary measurement results of the fitness values can also be used for this.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a method for developing aptamer structures according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a circuit diagram of the method for developing aptamer structures based on a group of aptamers with different aptamer structures.
  • the method comprises an in-vitro / in-vivo cycle process 10 and an in-silico cycle process 12, which silico model are interconnected.
  • the method itself is designed as an overall cycle 14.
  • a) a first group of aptamers with different aptamer structures is provided.
  • step b) of the method this first group of aptamers is introduced into the in-vitro / in-vivo cycle 10.
  • the fitness values of the aptamers of the first group are determined by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process 10.
  • the fitness values determined in step c) and the respective associated aptamer structures are used to train the in-silico model.
  • the in-silico model links the aptamer structure with the respective fitness value and thus connects the in-vitro / in-vivo cycle 10 with the in-silico cycle 12.
  • step e) of the method the aptamer structures of the first group of aptamers are introduced into the in-silico cycle 12.
  • a second group of aptamer structures based on the introduced aptamer structures is then provided in the further step f).
  • this step f) takes place by means of an evolutionary algorithm.
  • the evolutionary algorithm evolves the aptamer structures of the first group of aptamers in order to provide the second group of aptamer structures.
  • the evolutionary algorithm evolves the base and / or peptide sequence of the aptamer structures of the first group of aptamers.
  • the fitness values of the second group of aptamer structures are determined using the trained in-silico model.
  • the in silico model that was trained in step d) is used in step f) as a prediction model in order to determine the fitness values of the second group of aptamer structures.
  • the fitness values of the aptamer structures of the second group of aptamer structures are known.
  • step g) on the basis of these previously determined fitness values, a subgroup of aptamer structures is selected from the second group of aptamer structures.
  • This selected subgroup of aptamer structures is used in the further step i) in order to provide the first group of aptamers with different aptamer structures in step a).
  • the overall cycle 14 thus closes here.
  • the in-silico cycle 12 after step h) additionally includes step hl) using the selected subgroup Aptamer structures as aptamer structures of the first group of aptamers for providing a second group of aptamer structures in the in-silico cycle 12 in step f).
  • the in-silico cycle process 12 can thus be carried out independently of the in-vitro / in-vivo cycle process 10.
  • the selection criterion in the in-silico cycle process 12 is the expected therapeutic benefit of the aptamer structure.
  • step b) Using the selected subgroup aptamers as the first group of aptamers for incorporation into the in-vitro / in-vivo cycle in step b).
  • the in-vitro / in-vivo cycle 10 is also designed in such a way that it can be carried out independently of the in-silico cycle 12.
  • the selection criterion is not the expected therapeutic benefit, but the binding affinity of the aptamer to the target molecule.

Abstract

The invention relates to a method for developing aptamer structures on the basis of a group of aptamers having different aptamer structures, the method comprising an in vitro/in vivo cyclic process (10), an in silico model and an in silico cyclic process (12), comprising the steps of: a) providing a first group of aptamers having different aptamer structures, b) introducing the first group of aptamers into the in vitro/in vivo cyclic process (10), c) determining fitness values of the aptamers of the first group of aptamers by means of a measurement in the in vitro/in vivo cyclic process (10), d) training the in silico model by means of the determined fitness values and the aptamer structures, e) introducing the aptamer structures of the first group of aptamers into the in silico cyclic process (12), f) providing a second group of aptamer structures on the basis of the aptamer structures of the first group of aptamers in the in silico cyclic process (12), g) determining the fitness values of the second group of aptamer structures by means of the trained in silico model in the in silico cyclic process (12), h) selecting a subgroup of aptamer structures from the second group of aptamer structures on the basis of the determined fitness values and i) using the selected subgroup of aptamer structures to provide a first group of aptamers having different aptamer structures in step a). In this way, a method is provided in which aptamer structures can be developed also with regard to a therapeutic effect and which at the same time can be carried out simply.

Description

Verfahren zum Entwickeln von Aptamerstrukturen Process for developing aptamer structures
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwickeln von Aptamerstrukturen auf Basis einer Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen. The invention relates to a method for developing aptamer structures based on a group of aptamers with different aptamer structures.
Bei Aptameren handelt es sich um kurze einzelsträngige DNA- oder RNA-Oligonukleotide oder um Peptide, die in der Lage sind, Zielmoleküle aufgrund ihrer dreidimensionalen Ge stalt zu erkennen und spezifisch zu binden. Ist das Aptamer ein Peptid, wird es oft auch als Peptid-Aptamer bezeichnet. Durch die spezifische Bindung der Aptamere an das Zielmo lekül wird beispielsweise das Aufspüren, Nachweisen und Messen bestimmter Stoffe mög lich. Des Weiteren eröffnen Aptamere Möglichkeiten in der Behandlung von Krankheiten, der medizinischen Diagnostik und können als Basis für Biosensoren oder in der Umwelt analytik eingesetzt werden. Aptamers are short single-stranded DNA or RNA oligonucleotides or peptides that are able to recognize and specifically bind target molecules due to their three-dimensional shape. If the aptamer is a peptide, it is often referred to as a peptide aptamer. The specific binding of the aptamers to the target molecule enables the detection, detection and measurement of certain substances, for example. Furthermore, aptamers open up possibilities in the treatment of diseases, medical diagnostics and can be used as a basis for biosensors or in environmental analysis.
Die Interaktion der Aptamere mit ihrem Zielmolekül beruht auf dem Schlüssel-Schloss- Prinzip, wobei die Aptamere selber dreidimensionale Strukturen ausbilden, die dann hoch spezifisch an passende Oberflächenformen der Zielmoleküle binden. Zielmoleküle können dabei sowohl komplexe Gebilde, wie ganze Zellen oder Organismen sein, als auch kleine Moleküle, die nur aus wenigen Atomen bestehen. Damit ein entsprechendes Zielmolekül erkannt und gebunden werden kann, muss zunächst das passende Aptamer gefunden wer den. Die Suche nach den passenden Aptameren und deren Strukturen gleicht einer gigan tischen Partnerschaftsvermittlung auf molekularer Ebene. The interaction of the aptamers with their target molecule is based on the lock-and-key principle, with the aptamers themselves forming three-dimensional structures which then bind highly specifically to suitable surface shapes of the target molecules. Target molecules can be complex structures such as whole cells or organisms as well as small molecules that only consist of a few atoms. In order for a corresponding target molecule to be recognized and bound, the appropriate aptamer must first be found. The search for the right aptamers and their structures is like a gigantic mediation of partnerships on a molecular level.
Aptamere werden in der Regel nach dem Kriterium einer möglichst hohen spezifischen Bindungsaffinität zu einem ausgewählten Zielmolekül hergestellt. Dazu erstellt man große Zufallsbibliotheken an Aptameren mit unterschiedlicher Aptamerstrukturen und sucht über einen Kreisprozess (SELEX-Verfahren, Systematische Evolution von Liganden durch ex ponentielle Anreicherung) die Aptamere heraus, die das Zielmolekül am stärksten binden. Hierbei werden die Aptamer-Kandidaten mit immobilisierten Zielmolekülen vermischt und die nicht gebundenen weggewaschen. Zurück bleiben Kandidaten, die eine hohe Af finität für das Zielmolekül besitzen. Diese vermehrt man über Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) und beginnt einen neuen Zyklus von Bindung und Wegwaschen der schwächer gebundenen Kandidaten. Nach mehreren Durchgängen erhält man ein oder zwei Aptamere, die eine hohe Bindungsaffmität an das Zielmolekül aufwei sen. Aptamers are usually produced according to the criterion of the highest possible specific binding affinity for a selected target molecule. For this purpose, large random libraries of aptamers with different aptamer structures are created and, using a cycle process (SELEX method, systematic evolution of ligands through exponential enrichment), the aptamers that bind the target molecule the most are found. The aptamer candidates are mixed with immobilized target molecules and the unbound molecules are washed away. What remains are candidates who have a high affinity for the target molecule. These are multiplied via polymerase chain reaction (PCR) and a new cycle of binding and Washing away the more weakly bound candidates. After several passes, one or two aptamers are obtained which have a high binding affinity to the target molecule.
Allerdings ist dieses Verfahren nicht imstande, Aptamere bzw. Aptamerstrukturen mit Hinblick auf mögliche Wirkungen und/oder therapeutischen Effekte herauszusuchen, da das Auswahlkriterium die Bindungsaffmität zum Zielmolekül ist. Um Aptamerstrukturen für therapeutische Anwendungen zu entwickeln, sind aufwändige Tests an Zellen und/oder an Versuchstieren notwendig. Daher ist die Entwicklung neuer Aptamerstrukturen für the rapeutische Zwecke sehr teuer und das Risiko eines Ausfalls ist beträchtlich. However, this method is not able to select aptamers or aptamer structures with regard to possible effects and / or therapeutic effects, since the selection criterion is the affinity for binding to the target molecule. In order to develop aptamer structures for therapeutic applications, complex tests on cells and / or on test animals are necessary. Therefore, the development of new aptamer structures for therapeutic purposes is very expensive and the risk of failure is considerable.
Von dieser Problematik ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereit zustellen, bei dem Aptamerstrukturen auch im Hinblick auf einen therapeutischen Effekt entwickelt werden und das zugleich mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann. Proceeding from this problem, the object of the invention is to provide a method in which aptamer structures are also developed with a view to a therapeutic effect and which at the same time can be carried out with little effort.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Be vorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen. This object is achieved by the features of the independent patent claim. Preferred developments can be found in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zum Entwickeln von Aptamerstrukturen auf Ba sis einer Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen bereitgestellt, wobei das Verfahren einen in-vitro/in-vivo Kreisprozess, ein in-silico Modell und einen in-silico Kreisprozess umfasst, mit den Schritten: According to the invention, a method for developing aptamer structures based on a group of aptamers with different aptamer structures is provided, the method comprising an in-vitro / in-vivo cycle, an in-silico model and an in-silico cycle, with the steps:
a) Bereitstellen einer ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstruktu ren, a) Providing a first group of aptamers with different aptamer structures,
b) Einbringen der ersten Gruppe Aptamere in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess, c) Bestimmen von Fitnesswerten der Aptamere der ersten Gruppe Aptamere mittels ei ner Messung im in-vitro/in-vivo Kreisprozess, b) introducing the first group of aptamers into the in-vitro / in-vivo cycle, c) determining fitness values of the aptamers of the first group of aptamers by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle,
d) Trainieren des in-silico Modells mittels der bestimmten Fitnesswerte und der Apta merstrukturen, d) Training the in-silico model using the determined fitness values and the apta merstructures,
e) Einbringen der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere in den in-silico Krei sprozess, e) Introducing the aptamer structures of the first group of aptamers into the in-silico cycle process,
f) Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der Aptamerstruk turen der ersten Gruppe Aptamere im in-silico Kreisprozess g) Bestimmen der Fitnessweite der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen mittels des trai nierten in-silico Modells im in-silico Kreisprozess, f) Providing a second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers in the in-silico cycle process g) Determination of the fitness range of the second group of aptamer structures using the trained in-silico model in the in-silico cycle,
h) Auswählen einer Subgruppe Aptamerstrukturen aus der zweiten Gruppe Apta merstrukturen auf Basis der bestimmten Fitnesswerte und h) Selecting a subgroup of aptamer structures from the second group of aptamer structures on the basis of the determined fitness values and
i) Verwenden der ausgewählten Subgruppe Aptamerstrukturen zum Bereitstellen einer ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen in Schritt a). i) Using the selected subgroup of aptamer structures to provide a first group of aptamers with different aptamer structures in step a).
Der Kern der Erfindung ist damit die Kombination des in-vitro/in-vivo Kreisprozesses mit dem in-silico Kreisprozess, wobei die beiden Kreisprozesse über das in-silico Modell mit einander verbunden sind. Das Verfahren ist selbst als Kreisprozess gestaltet. Das Verfah ren nutzt zum Entwickeln von Aptamerstrukturen also eine Kombination aus computerun terstützten Schritten (in-silico) und Schritten, die im Reagenzglas (in-vitro) und/oder in einem Versuchstier (in-vivo) durchgeführt werden. Aufgrund der Kombination des in- vitro/in-vivo Kreisprozesses mit dem in-silico Modell und dem in-silico Kreisprozess, kann die Entwickeln von Aptamerstrukturen stark beschleunigt werden. Des Weiteren be zieht das erfindungsgemäße Verfahren durch den in-vitro/in-vivo Kreisprozess und durch die Verwendung des in-silico Modells den therapeutischen Effekt eines Aptamers in die Entwicklung von Aptamerstrukturen ein. Somit führt das Verfahren zu einer Steigerung der Effizienz und Erfolgsquote im Entwicklungsprozess. The core of the invention is thus the combination of the in-vitro / in-vivo cycle process with the in-silico cycle process, the two cycle processes being connected to one another via the in-silico model. The process itself is designed as a circular process. The method uses a combination of computer-aided steps (in-silico) and steps that are carried out in a test tube (in-vitro) and / or in a test animal (in-vivo) to develop aptamer structures. Due to the combination of the in-vitro / in-vivo cycle with the in-silico model and the in-silico cycle, the development of aptamer structures can be greatly accelerated. Furthermore, the method according to the invention includes the therapeutic effect of an aptamer in the development of aptamer structures through the in-vitro / in-vivo cycle process and through the use of the in-silico model. The method thus leads to an increase in efficiency and the success rate in the development process.
Bei dem Verfahren wird im ersten Schritt a) die erste Gruppe Aptamere mit unterschiedli chen Aptamerstrukturen bereitgestellt. Im Sinne der Erfindung wird unter der ersten Gruppe Aptamere also eine Gruppe an kurzer einzelsträngiger DNA- oder RNA-Oligo- nukleotide oder eine Gruppe an Peptiden verstanden. Die Aptamere in der ersten Gruppe weisen unterschiedliche Aptamerstrukturen auf, sprich: die einzelnen Aptamere in der ers ten Gruppe weisen unterschiedliche Nukleotidsequenzen oder Peptidsequenzen auf. In an deren Worten handelt es sich beim Aptamer um das Oligonukleotid oder Peptid und bei der Aptamerstruktur um die entsprechende Basensequenz oder Peptidsequenz. In the method, the first group of aptamers with different aptamer structures is provided in the first step a). For the purposes of the invention, the first group of aptamers is understood to mean a group of short single-stranded DNA or RNA oligonucleotides or a group of peptides. The aptamers in the first group have different aptamer structures, in other words: the individual aptamers in the first group have different nucleotide sequences or peptide sequences. In other words, the aptamer is the oligonucleotide or peptide and the aptamer structure is the corresponding base sequence or peptide sequence.
Im Schritt b) des Verfahrens wird diese erste Gruppe Aptamere in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess eingebracht. In einem weiteren Schritt c) werden im in-vitro/in-vivo Kreisprozess die Fitnesswerte der Aptamere der ersten Gruppe mittels einer Messung bestimmt. Im Sinne der Erfindung han delt es sich bei dem Fitnesswert des Aptamers um eine Kennzahl für den therapeutischen Effekt, den das Aptamer ausübt. Es ist möglich, dass mehrere unterschiedliche Messergeb nisse zusammen den Fitnesswert des Aptamers bestimmen. Beispielsweise kann der Fit nesswert durch einen Vektor mit unterschiedlichen Einträgen für die verschiedenen Mes sergebnisse dargestellt werden. Zum Beispiel kann es sich beim Fitnesswert um einen Vi talwert eines Versuchstieres handeln, um einen Konzentrations wert eines Botenstoffes in einer Zelle oder um eine Kombination der beiden. Nach dem Schritt c) ist also für jede Aptamerstruktur, die in der ersten Gruppe Aptamere vertreten ist, der Fitnesswert bekannt, da er für das Aptamer, das diese Aptamerstruktur aufweist mittels der Messung bestimmt wurde. In step b) of the method, this first group of aptamers is introduced into the in-vitro / in-vivo cycle. In a further step c), the fitness values of the aptamers of the first group are determined by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process. For the purposes of the invention, the fitness value of the aptamer is a key figure for the therapeutic effect that the aptamer exerts. It is possible that several different measurement results together determine the fitness value of the aptamer. For example, the fitness value can be represented by a vector with different entries for the different measurement results. For example, the fitness value can be a vital value of a test animal, a concentration value of a messenger substance in a cell or a combination of the two. After step c), the fitness value is known for each aptamer structure that is represented in the first group of aptamers, since it was determined by means of the measurement for the aptamer that has this aptamer structure.
Im weiteren Schritt d) werden die in Schritt c) bestimmten Fitnesswerte und die jeweiligen zugehörigen Aptamerstrukturen verwendet, um das in-silico Modell zu trainieren. Das in- silico-Modell verknüpft die Aptamerstruktur mit dem jeweiligen Fitnesswert. Es kann ein mathematisches Modell sein, das die biologischen Prozesse modelliert, wie beispielsweise ein System gekoppelter Differentialgleichungen. Es kann sich beim in-silico-Modell um ein datenbasiertes Modell handeln, wie beispielsweise ein neuronales Netzwerk. Bevor zugt ist das in-silico-Modell adaptierbar ausgestaltet, so dass es aufgrund des Trainings mit den Fitnesswerten und den Aptamerstrukturen die biologischen Prozesse verbessert abbildet. In the further step d), the fitness values determined in step c) and the respective associated aptamer structures are used to train the in-silico model. The in-silico model links the aptamer structure with the respective fitness value. It can be a mathematical model that models the biological processes, such as a system of coupled differential equations. The in silico model can be a data-based model, such as a neural network. The in-silico model is preferably designed to be adaptable so that it maps the biological processes in an improved manner based on the training with the fitness values and the aptamer structures.
Im Schritt e) des Verfahrens werden die Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere in den in-silico Kreisprozess eingebracht. Im in-silico Kreisprozess findet dann im weite ren Schritt f) ein Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der ein- gebrachten Aptamerstrukturen statt. In Schritt f) werden also mithilfe eines Algorithmus die zweite Gruppe Aptamerstrukturen erstellt und zwar auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere. Das Bereitstellen der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen kann beispielsweise ein Auswählen und/oder ein Verändern der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere umfassen. Beispielsweise können einige Aptamerstrukturen der ersten Gruppe zufällig ausgewählt und verändert werden, um so die zweite Gruppe Aptamerstrukturen bereitzustellen. Alternativ kann auch eine Auswahl der Aptamerstruk- turen aufgrund der Fitnesswerte erfolgen. In step e) of the process, the aptamer structures of the first group of aptamers are introduced into the in-silico cycle. In the in-silico cycle process, a second group of aptamer structures based on the introduced aptamer structures then takes place in the further step f). In step f), the second group of aptamer structures are created with the aid of an algorithm, specifically on the basis of the aptamer structures of the first group of aptamers. The provision of the second group of aptamer structures can include, for example, selecting and / or changing the aptamer structures of the first group of aptamers. For example, some aptamer structures of the first group can be selected at random and changed, so that the second group Provide aptamer structures. Alternatively, the aptamer structures can also be selected on the basis of the fitness values.
Der weitere Schritt g) findet auch im in-silico Kreisprozess statt, wobei dabei die Fitness werte der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen mittels des trainierten in-silico Modells be stimmt werden. Das in-silico-Modell, welches in Schritt d) trainiert wurde, wird im Schritt g) also als Vorhersagemodell verwendet, um die Fitnesswerte der zweiten Gruppe Apta merstrukturen zu bestimmen. Nach diesem Schritt sind also die Fitnesswerte der Apta merstrukturen der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen bekannt. The further step g) also takes place in the in-silico cycle process, with the fitness values of the second group of aptamer structures being determined using the trained in-silico model. The in silico model that was trained in step d) is therefore used in step g) as a prediction model in order to determine the fitness values of the second group of apta merstructures. After this step, the fitness values of the aptamer structures of the second group of aptamer structures are known.
In Schritt h) findet dann auf Basis dieser zuvor bestimmten Fitnesswerte eine Auswahl einer Subgruppe an Aptamerstrukturen aus der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen statt. Beispielsweise können diejenigen Aptamerstrukturen der zweiten Gruppe Aptamerstruk turen ausgewählt werden, die einen besonders hohen vorhergesagten Fitnesswert aufwei sen. In step h), a selection of a subgroup of aptamer structures from the second group of aptamer structures then takes place on the basis of these previously determined fitness values. For example, those aptamer structures of the second group of aptamer structures can be selected which have a particularly high predicted fitness value.
Im weiteren Schritt i) findet dann ein Verwenden der ausgewählten Subgruppe Apta merstrukturen zum Bereitstellen der ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Apta merstrukturen in Schritt a) statt. Mit anderen Worten schließt sich hier der Kreisprozess, denn die Subgruppe Aptamerstrukturen wird dazu verwendet, um Aptamere für den in- vitro/in-vivo Kreisprozesses herzustellen. In the further step i), the selected subgroup of aptamers is then used to provide the first group of aptamers with different aptamers in step a). In other words, this closes the cycle, because the subgroup aptamer structures is used to produce aptamers for the in vitro / in vivo cycle.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich beim erfindungsgemäßen Verfahren selbst um einen Kreisprozess. Im Hinblick auf eine therapie-orientierte Entwickelung der Aptamerstruktu ren ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Schritte des Verfahrens mehrfach als Gesamt-Kreisprozess durchgeführt werden. Durch das mehrfache Durchlaufen des Verfahrens können Aptamerstrukturen entwickelt werden, die die Thera pieziele möglichst gut erreichen. Insbesondere das Bestimmen der Fitnesswerte der Apta mere mittels einer Messung im in-vitro/in-vivo Kreisprozess (Schritt c) und das Auswäh len der Subgruppe Aptamerstrukturen aus der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Ba sis der bestimmten Fitnesswerte im in-silico Kreisprozess (Schritt h) stellen sicher, dass die Aptamerstrukturen therapie-orientiert entwickelt werden. Des Weiteren ermöglicht das mehrfache Durchlaufen des erfmdungsgemäßen Verfahrens, dass das in-silico Modell in Schritt d) jeweils mit neuen Fitnesswerten und Aptamerstrukturen trainiert wird und so seine Vorhersagekraft stetig verbessert wird. As already mentioned, the method according to the invention is itself a cycle. With regard to a therapy-oriented development of the aptamer structures, a preferred development of the invention provides that the steps of the method are carried out several times as an overall cycle process. By running through the process several times, aptamer structures can be developed that achieve the therapy goals as well as possible. In particular, the determination of the fitness values of the aptamer by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process (step c) and the selection of the aptamer structures subgroup from the second group of aptamer structures based on the fitness values determined in the in-silico cycle process (step h ) ensure that the aptamer structures are developed in a therapy-oriented manner. Furthermore, running through the method according to the invention multiple times enables the in-silico model in Step d) is trained with new fitness values and aptamer structures and so its predictive power is constantly improved.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt a) das Bereitstellen der ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen ein Synthetisieren von Aptameren mit den unterschiedlichen Aptamerstrukturen umfasst. Es handelt sich beim Bereitstellen in Schritt a) also um einen Syntheseprozess, bei dem die erste Gruppe Aptamere chemisch synthetisiert wird und nicht biologisch exprimiert wird. According to a preferred development of the invention it is provided that in step a) the provision of the first group of aptamers with different aptamer structures comprises a synthesis of aptamers with the different aptamer structures. The provision in step a) is therefore a synthesis process in which the first group of aptamers is chemically synthesized and not biologically expressed.
Wie bereits beschrieben umfasst das Verfahren zwei Kreisprozesse, nämlich den in- vitro/in-vivo Kreisprozesses sowie den in-silico Kreisprozess, wobei das Verfahren selbs als Kreisprozess gestaltet ist. In Zusammenhang mit dem in-silico Kreisprozess ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Verfahren im in-si lico Kreisprozess nach Schritt h) zusätzlich den folgenden Schritt umfasst: hl) Verwenden der ausgewählten Sub gruppe Aptamerstrukturen als Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere zum Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen im in-silico Kreis prozess in Schritt f). Dies bedeutet, dass der in-silico Kreisprozess derart gestaltet ist, dass er unabhängig vom in-vitro/in-vivo Kreisprozesses mehrfach durchgeführt werden kann. As already described, the method comprises two cycle processes, namely the in-vitro / in-vivo cycle process and the in-silico cycle process, the method itself being designed as a cycle process. In connection with the in-silico cycle process, a preferred development of the invention provides that the method in the in-si lico cycle process after step h) additionally includes the following step: hl) using the selected subgroup of aptamer structures as aptamer structures of the first group of aptamers to provide a second group of aptamer structures in the in-silico cycle process in step f). This means that the in-silico cycle is designed in such a way that it can be carried out several times independently of the in-vitro / in-vivo cycle.
Die in Schritt h) auf Basis der bestimmten Fitnesswerte ausgewählte Subgruppe Apta merstrukturen aus der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen, wird also wieder im in-silico Kreisprozess verwendet, um in Schritt f) eine weitere zweite Gruppe Aptamerstrukturen bereitzustellen. Dies führt insbesondere dazu, dass das Verfahren sehr kostengünstig und schnell ist, da der in-silico Kreisprozess mehrere tausend Male unabhängig vom in- vitro/in-vivo Kreisprozesses durchgeführt werden kann. So können auf günstige und schnelle Weise Aptamerstrukturen entwickelt werden. Die Auswahl der Subgruppe an Ap tamerstrukturen aus der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen im Schritt h) im in-silico Krei sprozess findet auf Basis der zuvor bestimmten Fitnesswerte statt. Somit ist das Selekti onskriterium für den in-silico Kreisprozess, wie hoch der zu erwartende therapeutische Nutzen eine bestimme Aptamerstruktur ist. Der zu erwartende therapeutische Nutzen wird dabei mittels des in-silico-Modells vorhergesagt, indem im Schritt g) die Fitnesswerte der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen bestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfin dung vorgesehen, dass in Schritt f) das Bereitstellen der zweiten Gruppe Aptamerstruktu- ren auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere ein Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere mittels eines evolutionären Algorithmus umfasst. Die zweite Gruppe Apta merstrukturen, welche auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere be reitgestellt wird, wird also mittels des evolutionären Algorithmus bereitgestellt. Der evo lutionäre Algorithmus evolviert in Anlehnung an natürliche Prozesse die Aptamerstruktu ren der ersten Gruppe Aptamere, um so die zweite Gruppe Aptamerstrukturen bereitzu stellen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der evolutionäre Algorithmus die Aptamerstruk turen der ersten Gruppe Aptamere nach dem Zufallsprinzip verändert (mutiert), um die zweite Gruppe Aptamerstrukturen bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann vorge sehen sein, dass der evolutionäre Algorithmus die Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere miteinander kombiniert (kreuzt), um die zweite Gruppe Aptamerstrukturen be reitzustellen. The subgroup of aptamer structures selected in step h) on the basis of the determined fitness values from the second group of aptamer structures is therefore used again in the in-silico cycle process in order to provide a further second group of aptamer structures in step f). This leads in particular to the fact that the method is very inexpensive and fast, since the in-silico cycle can be carried out several thousand times independently of the in-vitro / in-vivo cycle. In this way, aptamer structures can be developed quickly and cheaply. The selection of the subgroup of aptamer structures from the second group of aptamer structures in step h) in the in-silico circle process takes place on the basis of the previously determined fitness values. Thus, the selection criterion for the in-silico cycle process is how high the expected therapeutic benefit of a particular aptamer structure is. The expected therapeutic benefit is predicted by means of the in silico model, in that the fitness values of the second group of aptamer structures are determined in step g). In this context, according to a further preferred development of the invention it is provided that in step f) the provision of the second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers provides a second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers by means of an evolutionary algorithm. The second group of aptamer structures, which is provided on the basis of the aptamer structures of the first group of aptamers, is thus provided by means of the evolutionary algorithm. The evolutionary algorithm evolves the aptamer structures of the first group of aptamers based on natural processes in order to provide the second group of aptamer structures. It can be provided that the evolutionary algorithm changes (mutates) the aptamer structures of the first group of aptamers according to the random principle in order to provide the second group of aptamer structures. Alternatively or in addition, it can be provided that the evolutionary algorithm combines (crosses) the aptamer structures of the first group of aptamers with one another in order to provide the second group of aptamer structures.
In Zusammenhang mit dem evolutionären Algorithmus ist gemäß einer bevorzugten Wei terbildung der Erfindung vorgesehen, dass in Schritt f) das Bereitstellen der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere ein Bereitstellen verschiedener Basen- und/oder Peptidsequenzen umfasst. Bevorzugt ver ändert der evolutionäre Algorithmus also die Basen- und/oder Peptidsequenz der Apta merstrukturen der ersten Gruppe Aptamere, um die zweiten Gruppe Aptamerstrukturen bereitzustellen. In connection with the evolutionary algorithm, a preferred development of the invention provides that in step f) the provision of the second group of aptamer structures on the basis of the aptamer structures of the first group of aptamers includes provision of various base and / or peptide sequences. The evolutionary algorithm thus preferably changes the base and / or peptide sequence of the aptamer structures of the first group of aptamers in order to provide the second group of aptamer structures.
Gemäß einer bevorzugen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren im in-vitro/in-vivo Kreisprozess nach Schritt c) zusätzlich die folgenden Schritte umfasst: cl) Auswählen einer Subgruppe Aptamere aus der ersten Gruppe Aptamere auf Basis einer Bindungsaffmität der Aptamere zu einem Zielmolekül, und According to a preferred development of the invention it is provided that the method in the in-vitro / in-vivo cycle process according to step c) additionally comprises the following steps: cl) selecting a subgroup of aptamers from the first group of aptamers on the basis of a binding affinity of the aptamers to one Target molecule, and
c2) Verwenden der ausgewählten Sub gruppe Aptamere als erste Gruppe Aptamere zum Einbringen in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess in Schritt b). c2) Using the selected subgroup aptamers as the first group of aptamers for incorporation into the in-vitro / in-vivo cycle in step b).
In Analogie zum in-silico Kreisprozess ist auch der im in-vitro/in-vivo Kreisprozess, derart gestaltet, dass er unabhängig vom in-silico Kreisprozess durchgeführt werden kann. Im Gegensatz zum in-silico Kreisprozess ist das Selektionskriterium allerdings nicht der zu erwartende therapeutische Nutzen, sondern die Bindungsaffinität des Aptamers zum Ziel molekül. In analogy to the in-silico cycle, the in-vitro / in-vivo cycle is also designed in such a way that it can be carried out independently of the in-silico cycle. In contrast to the in-silico cycle process, the selection criterion is not closed expected therapeutic benefit, but rather the binding affinity of the aptamer for the target molecule.
Alternativ zu dieser Ausgestaltung des in-vitro/in-vivo Kreisprozesses ist gemäß einer be vorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Verfahren im in-vitro/in- vivo Kreisprozess nach Schritt c) zusätzlich die folgenden Schritte umfasst: As an alternative to this embodiment of the in-vitro / in-vivo cycle, a preferred development of the invention provides that the method in the in-vitro / in-vivo cycle according to step c) additionally comprises the following steps:
cl) Auswählen einer Subgruppe Aptamere aus der ersten Gruppe Aptamere auf Basis einer Bindungsaffinität der Aptamere zu einem Zielmolekül, cl) selecting a subgroup of aptamers from the first group of aptamers on the basis of a binding affinity of the aptamers to a target molecule,
c2‘) Bereitstellen einer Gruppe veränderter Aptamere auf Basis der ausgewählten Apta mere durch Mutation, und c2 ‘) providing a group of modified aptamers based on the selected aptamers by mutation, and
c3‘) Verwenden der Gruppe veränderter Aptamere als erste Gruppe Aptamere zum Ein bringen in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess in Schritt b). c3 ‘) Using the group of modified aptamers as the first group of aptamers to bring into the in-vitro / in-vivo cycle in step b).
Hier werden also im in-vitro/in-vivo Kreisprozesses die ausgewählten Aptamere durch Mutation verändert. Das Selektionskriterium ist weiterhin die Bindungsaffinität des Apta mers zum Zielmolekül. In this case, the selected aptamers are changed by mutation in the in-vitro / in-vivo cycle process. The selection criterion is still the binding affinity of the apta mer for the target molecule.
Im in-vitro/in-vivo Kreisprozesses findet ebenfalls das Bestimmen der Fitnesswerte der Aptamere statt. Wie bereits erwähnt ist im Sinne der Erfindung der Fitnesswert des Apta mers eine Kennzahl für den therapeutischen Effekt, den das Aptamer ausübt. In diesem Zusammenhang ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in Schritt c) das Bestimmen von Fitnesswerten der Aptamere der ersten Gruppe mittels einer Messung im in-vitro/in-vivo Kreisprozess ein Bestimmen eines Effektes der Aptamere auf eine Zelle, einen Zellprozess und/oder auf ein Versuchstier umfasst. Um den Fitnesswert zu messen, wird also bevorzugt der Effekt der Aptamere auf eine Zelle, einen Zellprozess und/oder ein Versuchstier bestimmt. Beispielsweise kann es sich um das Bestimmen von Vitalwerten bei einem Versuchstier handeln. Des Weiteren kann es sich um ein Bestimmen einer Konzentration eines Stoffwechselproduktes in einer Zelle handeln, nachdem die Ap tamere in die Zelle eingebracht wurden. Bevorzugt handelt es sich beim Bestimmen des Effektes um ein zeitaufgelöstes Bestimmen des Effektes. Der Effekt des Aptamers wird also bevorzugt zu unterschiedlichen Zeiten nach Einbringen des Aptamers auf die Zelle, den Zellprozess und/oder das Versuchstier bestimmt. Wie bereits erwähnt wird mit den gemessenen Fitnesswerten das in-silico Modell trainiert. In diesem Zusammenhang ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgese hen, dass in Schritt d) das Trainieren des in-silico Modells mittels der bestimmten Fitness werte und der Aptamerstrukturen ein Trainieren eines neuronalen Netzes und/oder eines Petri-Netzes umfasst. Beim in-silico Modell handelt es sich also bevorzugt um ein neuro nales Netz und/oder ein Petri-Netzt. Insbesondere Petri-Netze sind geeignet um deskriptive systembiologische Modelle für zelluläre Vorgänge und/oder für systemische Interaktionen zwischen Medikament und Organismus zu beschreiben. Allerdings setzten Petri-Netze als zustandsbasierte Modelle voraus, dass die Fitnesswerte mit denen die Petri-Netze trainiert werden, in Abhängigkeit der Zeit bestimmt werden. Bei neuronalen Netzen handelt es sich im Wesentlichen um datengetriebene Modelle, die mittels den gemessenen Fitnesswerten und den Aptamerstrukturen trainiert werden. Sie haben den Vorteil, dass dafür auch stati onäre Messergebnisse der Fitnesswerte verwendet werden können. In the in-vitro / in-vivo cycle process, the fitness values of the aptamers are also determined. As already mentioned, in the context of the invention, the fitness value of the aptamer is a key figure for the therapeutic effect that the aptamer exerts. In this context, a preferred development of the invention provides that in step c) the determination of fitness values of the aptamers of the first group by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process involves determining an effect of the aptamers on a cell, a cell process and / or comprises an experimental animal. In order to measure the fitness value, the effect of the aptamers on a cell, a cell process and / or an experimental animal is preferably determined. For example, it can be the determination of vital values in a test animal. Furthermore, it can be a matter of determining a concentration of a metabolic product in a cell after the ap tamers have been introduced into the cell. The determination of the effect is preferably a time-resolved determination of the effect. The effect of the aptamer is therefore preferably determined at different times after the aptamer has been introduced onto the cell, the cell process and / or the test animal. As already mentioned, the in-silico model is trained with the measured fitness values. In this context, a preferred development of the invention provides that in step d) the training of the in-silico model by means of the determined fitness values and the aptamer structures includes training of a neural network and / or a Petri network. The in-silico model is therefore preferably a neural network and / or a Petri network. Petri nets in particular are suitable for describing descriptive systems biological models for cellular processes and / or for systemic interactions between medicament and organism. However, as state-based models, Petri nets require that the fitness values with which the Petri nets are trained are determined as a function of time. Neural networks are essentially data-driven models that are trained using the measured fitness values and the aptamer structures. They have the advantage that stationary measurement results of the fitness values can also be used for this.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines be vorzugen Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert. The invention is explained by way of example with reference to the drawing using a preferred embodiment.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur (Figur 1) ein Kreislaufdiagramm eines Verfahrens zum Entwickeln von Aptamerstrukturen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In the drawing, the single FIGURE (FIG. 1) shows a circuit diagram of a method for developing aptamer structures according to a preferred embodiment of the invention.
Figur 1 zeigt schematisch ein Kreislaufdiagramm des Verfahrens zum Entwickeln von Ap tamerstrukturen auf Basis einer Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstruktu ren. Das Verfahren umfasst einen in-vitro/in-vivo Kreisprozess 10 und einen in-silico Krei sprozess 12, die über ein in-silico Modell miteinander verbunden sind. Das Verfahren ist selbst als Gesamt-Kreisprozess 14 gestaltet. Im ersten Schritt a) wird eine erste Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen bereitgestellt. 1 shows schematically a circuit diagram of the method for developing aptamer structures based on a group of aptamers with different aptamer structures. The method comprises an in-vitro / in-vivo cycle process 10 and an in-silico cycle process 12, which silico model are interconnected. The method itself is designed as an overall cycle 14. In the first step a) a first group of aptamers with different aptamer structures is provided.
Im Schritt b) des Verfahrens wird diese erste Gruppe Aptamere in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess 10 eingebracht. In step b) of the method, this first group of aptamers is introduced into the in-vitro / in-vivo cycle 10.
In einem weiteren Schritt c) werden im in-vitro/in-vivo Kreisprozess 10 die Fitnesswerte der Aptamere der ersten Gruppe mittels einer Messung bestimmt. Im weiteren Schritt d) werden die in Schritt c) bestimmten Fitnesswerte und die jeweiligen zugehörigen Aptamerstrukturen verwendet, um das in-silico Modell zu trainieren. Das in- silico-Modell verknüpft die Aptamerstruktur mit dem jeweiligen Fitnesswert und verbin det so den in-vitro/in-vivo Kreisprozess 10 mit dem in-silico Kreisprozess 12. In a further step c), the fitness values of the aptamers of the first group are determined by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process 10. In the further step d), the fitness values determined in step c) and the respective associated aptamer structures are used to train the in-silico model. The in-silico model links the aptamer structure with the respective fitness value and thus connects the in-vitro / in-vivo cycle 10 with the in-silico cycle 12.
Im Schritt e) des Verfahrens werden die Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere in den in-silico Kreisprozess 12 eingebracht. In step e) of the method, the aptamer structures of the first group of aptamers are introduced into the in-silico cycle 12.
Im in-silico Kreisprozess findet dann im weiteren Schritt f) ein Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der eingebrachten Aptamerstrukturen statt. In the in-silico cycle process, a second group of aptamer structures based on the introduced aptamer structures is then provided in the further step f).
Im hier bevorzugten Ausführungsbeispiel findet dieser Schritt f) mittels eines evolutionä ren Algorithmus statt. Der evolutionäre Algorithmus evolviert die Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere, um so die zweite Gruppe Aptamerstrukturen bereitzustellen. Ins besondere evolviert der evolutionäre Algorithmus die Basen- und/oder Peptidsequenz der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere. In the exemplary embodiment preferred here, this step f) takes place by means of an evolutionary algorithm. The evolutionary algorithm evolves the aptamer structures of the first group of aptamers in order to provide the second group of aptamer structures. In particular, the evolutionary algorithm evolves the base and / or peptide sequence of the aptamer structures of the first group of aptamers.
Im weiteren Schritt g) werden die Fitnesswerte der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen mittels des trainierten in-silico Modells bestimmt. Das in-silico-Modell, welches in Schritt d) trainiert wurde, wird im Schritt f) als Vorhersagemodell verwendet, um die Fitnesswerte der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen zu bestimmen. Nach diesem Schritt sind also die Fitnesswerte der Aptamerstrukturen der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen bekannt. In the further step g), the fitness values of the second group of aptamer structures are determined using the trained in-silico model. The in silico model that was trained in step d) is used in step f) as a prediction model in order to determine the fitness values of the second group of aptamer structures. After this step, the fitness values of the aptamer structures of the second group of aptamer structures are known.
In Schritt g) findet dann auf Basis dieser zuvor bestimmten Fitnesswerte eine Auswahl einer Subgruppe an Aptamerstrukturen aus der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen statt. In step g), on the basis of these previously determined fitness values, a subgroup of aptamer structures is selected from the second group of aptamer structures.
Diese ausgewühlte Subgruppe Aptamerstrukturen wird im weiteren Schritt i) verwendet, um die ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen in Schritt a) be reitzustellen. Der Gesamt-Kreisprozess 14 schließt sich hier also. This selected subgroup of aptamer structures is used in the further step i) in order to provide the first group of aptamers with different aptamer structures in step a). The overall cycle 14 thus closes here.
Im hier bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der in-silico Kreisprozess 12 nach Schritt h) zusätzlich den Schritt hl) Verwenden der ausgewählten Subgruppe Aptamerstrukturen als Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere zum Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen im in-silico Kreisprozess 12 in Schritt f) umfasst. Somit kann der in-silico Kreisprozess 12 unabhängig vom in-vitro/in-vivo Kreisprozess 10 durchgeführt werden kann. Das Selektionskriterium im in-silico Kreisprozess 12 ist dabei der zu erwartende therapeutische Nutzen der Aptamerstruktur. In the exemplary embodiment preferred here, it is provided that the in-silico cycle 12 after step h) additionally includes step hl) using the selected subgroup Aptamer structures as aptamer structures of the first group of aptamers for providing a second group of aptamer structures in the in-silico cycle 12 in step f). The in-silico cycle process 12 can thus be carried out independently of the in-vitro / in-vivo cycle process 10. The selection criterion in the in-silico cycle process 12 is the expected therapeutic benefit of the aptamer structure.
Ebenfalls ist im hier bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass im in-vitro/in- vivo Kreisprozess 10 nach Schritt c) zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt wer den: In the exemplary embodiment preferred here, it is also provided that the following steps are additionally carried out in the in-vitro / in-vivo cycle 10 after step c):
cl) Auswählen einer Subgruppe Aptamere aus der ersten Gruppe Aptamere auf Basis einer Bindungsaffinität der Aptamere zu einem Zielmolekül, und cl) selecting a subgroup of aptamers from the first group of aptamers on the basis of a binding affinity of the aptamers for a target molecule, and
c2) Verwenden der ausgewählten Sub gruppe Aptamere als erste Gruppe Aptamere zum Einbringen in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess in Schritt b). c2) Using the selected subgroup aptamers as the first group of aptamers for incorporation into the in-vitro / in-vivo cycle in step b).
In Analogie zum in-silico Kreisprozess 12 ist auch der im in-vitro/in-vivo Kreisprozess 10, derart gestaltet, dass er unabhängig vom in-silico Kreisprozess 12 durchgeführt werden kann. Im Gegensatz zum in-silico Kreisprozess ist das Selektionskriterium allerdings nicht der zu erwartende therapeutische Nutzen, sondern die Bindungsaffinität des Aptamers zum Zielmolekül. In analogy to the in-silico cycle 12, the in-vitro / in-vivo cycle 10 is also designed in such a way that it can be carried out independently of the in-silico cycle 12. In contrast to the in-silico cycle process, the selection criterion is not the expected therapeutic benefit, but the binding affinity of the aptamer to the target molecule.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 in-vitro/in-vivo Krei sprozess10 in-vitro / in-vivo cycle process
12 in-silico Kreisprozess 14 Gesamt-Kreisprozess 12 In-silico cycle process 14 Overall cycle process

Claims

Patentansprüche Claims
1 Verfahren zum Entwickeln von Aptamerstrukturen auf Basis einer Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen, wobei das Verfahren einen in-vitro/in- vivo Kreisprozess (10), ein in-silico Modell und einen in-silico Kreisprozess (12) umfasst, mit den Schritten: 1 Method for developing aptamer structures based on a group of aptamers with different aptamer structures, the method comprising an in-vitro / in-vivo cycle (10), an in-silico model and an in-silico cycle (12), with the steps :
a) Bereitstellen einer ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Apta merstrukturen, a) providing a first group of aptamers with different aptamers,
b) Einbringen der ersten Gruppe Aptamere in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess b) Introduction of the first group of aptamers into the in-vitro / in-vivo cycle
(10), (10),
c) Bestimmen von Fitnesswerten der Aptamere der ersten Gruppe Aptamere mittels einer Messung im in-vitro/in-vivo Kreisprozess (10), c) Determination of fitness values of the aptamers of the first group of aptamers by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process (10),
d) Trainieren des in-silico Modells mittels der bestimmten Fitnesswerte und der Aptamerstrukturen, d) Training the in-silico model using the determined fitness values and the aptamer structures,
e) Einbringen der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere in den in-si lico Kreisprozess (12), e) Introducing the aptamer structures of the first group of aptamers into the in-si lico cycle (12),
f) Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der Apta merstrukturen der ersten Gruppe Aptamere im in-silico Kreisprozess (12), g) Bestimmen der Fitnesswerte der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen mittels des trainierten in-silico Modells im in-silico Kreisprozess (12), h) Auswählen einer Subgruppe Aptamerstrukturen aus der zweiten Gruppe Ap tamerstrukturen auf Basis der bestimmten Fitnesswerte und f) Providing a second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers in the in-silico cycle process (12), g) Determining the fitness values of the second group of aptamer structures using the trained in-silico model in the in-silico cycle process (12), h) Selecting a subgroup of aptamer structures from the second group of aptamer structures on the basis of the determined fitness values and
i) Verwenden der ausgewählten Subgruppe Aptamerstrukturen zum Bereitstel len einer ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen in Schritt a). i) Using the selected subgroup of aptamer structures to provide a first group of aptamers with different aptamer structures in step a).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Verfahrens mehrfach als Gesamt- Kreisprozess (14) durchgeführt werden. Method according to Claim 1, the steps of the method being carried out several times as an overall cycle process (14).
3 Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt a) das Bereit stellen der ersten Gruppe Aptamere mit unterschiedlichen Aptamerstrukturen ein Synthetisieren von Aptameren mit den unterschiedlichen Aptamerstrukturen um fasst. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step a) the provision of the first group of aptamers with different aptamer structures comprises synthesizing aptamers with the different aptamer structures.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren im in- silico Kreisprozess (12) nach Schritt h) zusätzlich den folgenden Schritt umfasst: hl) Verwenden der ausgewählten Sub gruppe Aptamerstrukturen als Apta- merstrukturen der ersten Gruppe Aptamere zum Bereitstellen einer zweiten4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method in the in-silico cycle (12) after step h) additionally comprises the following step: hl) using the selected subgroup of aptamer structures as aptamer structures of the first group of aptamers to provide a second
Gruppe Aptamerstrukturen im in-silico Kreisprozess (12) in Schritt f). Group of aptamer structures in the in-silico cycle process (12) in step f).
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt f) das Bereit stellen der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere ein Bereitstellen einer zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere mittels eines evoluti onären Algorithmus umfasst. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step f) providing the second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers comprises providing a second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers by means of an evolutionary algorithm.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt f) das Bereit- stellen der zweiten Gruppe Aptamerstrukturen auf Basis der Aptamerstrukturen der ersten Gruppe Aptamere ein Bereitstellen verschiedener Basen- und/oder Peptidse quenzen umfasst. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step f) providing the second group of aptamer structures based on the aptamer structures of the first group of aptamers comprises providing various base and / or peptide sequences.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren im in- vitro/in-vivo Kreisprozess (10) nach Schritt c) zusätzlich die folgenden Schritte um fasst: 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the method in the in vitro / in vivo cycle process (10) after step c) additionally comprises the following steps:
cl) Auswählen einer Subgruppe Aptamere aus der ersten Gruppe Aptamere auf Basis einer Bindungsaffinität der Aptamere zu einem Zielmolekül und c2) Verwenden der ausgewählten Sub gruppe Aptamere als erste Gruppe Apta- mere zum Einbringen in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess (10) in Schritt b). cl) Selecting a subgroup of aptamers from the first group of aptamers on the basis of a binding affinity of the aptamers to a target molecule and c2) Using the selected subgroup of aptamers as the first group of aptamers for incorporation into the in vitro / in vivo cycle (10) in step b).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren im in-vitro/in- vivo Kreisprozess (10) nach Schritt c) zusätzlich die folgenden Schritte umfasst: cl) Auswählen einer Subgruppe Aptamere aus der ersten Gruppe Aptamere auf Basis einer Bindungsaffinität der Aptamere zu einem Zielmolekül, c2‘) Bereitstellen einer Gruppe veränderter Aptamere auf Basis der ausgewähl ten Aptamere durch Mutation und c3‘) Verwenden der Gruppe veränderter Aptamere als erste Gruppe Aptamere zum Einbringen in den in-vitro/in-vivo Kreisprozess (10) in Schritt b). 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the method in the in-vitro / in-vivo cycle process (10) according to step c) additionally comprises the following steps: cl) selecting a subgroup of aptamers from the first group of aptamers on the basis of a Binding affinity of the aptamers to a target molecule, c2 ') providing a group of modified aptamers based on the selected aptamers by mutation and c3 ') Using the group of modified aptamers as the first group of aptamers for incorporation into the in-vitro / in-vivo cycle process (10) in step b).
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) das Be- stimmen von Fitnesswerten der Aptamere der ersten Gruppe mittels einer Messung im in-vitro/in-vivo Kreisprozess (10) ein Bestimmen eines Effektes der Aptamere auf eine Zelle, einen Zellprozess und/oder auf ein Versuchstier umfasst. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step c) determining fitness values of the aptamers of the first group by means of a measurement in the in-vitro / in-vivo cycle process (10) determining an effect of the aptamers on a cell, comprises a cell process and / or on a test animal.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt d) das Trai- nieren des in-silico Modells mittels der bestimmten Fitnesswerte und der Apta- merstrukturen ein Trainieren eines neuronalen Netzes und/oder eines Petri-Netzes umfasst. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step d) the training of the in-silico model by means of the determined fitness values and the aptamers structures includes training of a neural network and / or a Petri network.
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