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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Gentranskription
und der Genproduktexpression im Herzen und im Muskel. Genauer betrifft
ein Verfahren der vorliegenden Erfindung die Adenovirusvektor-vermittelte
Zuführung
von Genen, die einen angiogenen Faktor für Herzmuskeln kodieren.
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Hintergrund der Erfindung
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Somatische
Gentherapie kann definiert werden als die Fähigkeit, die Expression von
fremden Genen in nicht-Keimlinien (d.h. nicht Keim und Ei) -Zellen
eines Tieres zu programmieren. Verfahren der somatischen Gentherapie
können
unterteilt werden in zwei Kategorien. Die Ex-vivo-Gentherapie, einschließlich der
Entfernung von Zellen von einem Wirtsorganismus, der Transfektion
eines fremden Gens in diese Zellen, und der Reimplantation oder Transplantation
der transformierten oder transgenen Zellen zurück in einen Empfängerwirt.
Im Gegensatz dazu schließt
die In-vivo-Gentherapie die Transfektion eines fremden Gens direkt
in Zellen eines Empfängerwirts
ein, ohne die Notwendigkeit der vorherigen Entfernung dieser Zellen
von dem Wirt.
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Die
Nützlichkeit
der somatischen Gentherapie für
menschliche Patienten hängt
ab von einer Anzahl von Faktoren. Zunächst muß das Transfektionsverfahren
effizient sein. Als zweites sollte die Expression des fremden Gens
auf spezifische Zielgewebe örtlich
begrenzt sein. Drittens sollte ein gegebenes Transfektionsverfahren
mit einem minimalen Risiko die Wirtszellen zu mutieren und eine
persistierende Infektion des Wirtsorganismus zu bewirken verbunden
sein.
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Verschiedene
mögliche
Strategien, um Gene in Gewebe des Körpers einzuführen, wurden
in der Vergangenheit verwendet (Stratford-Perricaudet et al., 1990;
Rosenfeld et al., 1992; Wolfe et al., 1992). Verfahren, um fremde
Gene in Zellen einzuführen schließen die
direkte Transfektion (Davis et al., 1986) und den retroviralen Gentransfer
(Dichek et al., 1991; Wilson et al., 1988a; Wilson et al., 1988b;
Kay et al., 1992) ein. In einigen Fällen wurden genetisch veränderte Zellen
wieder in Tiere eingeführt
(Dichek et al., 1991; Roy Chowdhury et al., 1991), wo ihre fortgesetzte
Funktion für
variable Zeiträume überwacht wurden.
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In
jüngster
Zeit wurde Adenovirus-vermittelter Gentransfer als ein Mittel der
somatischen Gentherapie in eukaryotische Zellen und in ganze Tiere untersucht
(van Doren et al., 1984a; van doren et al., 1984b; Ghosh-Choudhury
und Graham, 1987; Stratford-Perricaudet et al., 1990; Rosenfeld
et al., 1991; Rosenfeld et al., 1992). Ein Problem mit Adenovirus-vermitteltem
Gentransfer ist der niedrige Spiegel an Genproduktexpression in
Zielzellen und daraus folgend ein Fehlen eines funktionellen Effekts.
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Obwohl
Adenovirus-vermittelter Gentransfer verwendet wurde, um einen Ornithintranscarbamylase
(OTC)-Mangel in neugeborenen Mäusen
zu behandeln, war die Expression des Ornithintranscarbamylaseenzyms
in den Virus-infizierten Mäusen
typischerweise bei oder unterhalb der Expressionsspiegel in normalen
Mäusen,
mit dem Ergebnis, daß der Defekt
nur teilweise korrigiert wurde (Stratford-Perricaudet et al., 1990).
Auf der Basis von solchen Daten würde man nicht erwarten, daß Adenovirus-vermittelter
Gentransfer geeignet wäre
für die
Behandlung einer Erkrankung, die eine Überexpression eines Genprodukts
erfordert.
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Adenovirus-vermittelter
Transfer des Gens für
den cystischen Fibrose-Transmembran-Leitfähigkeitsregulator (CFTR) in
das Lungenepithel von Baumwollratten wurde versucht, obwohl es nicht möglich war,
die biologische Aktivität
des überführten Gens
zu beurteilen, da es keinen physiologischen Effekt des Gentransfers
gab, außer
der Expression des CFTR-Proteins in Lungenatemwegszellen (Rosenfeld
et al., 1992). Weiter war die Lungenexpression von α1-Antitrypsinprotein
nicht mit einem physiologischen Effekt assoziiert (Rosenfeld et
al., 1991). Zusammengenommen zeigen diese Daten nicht, daß Adenovirus
Gene in Zellen überführen kann
und die Expression von ausreichend Protein steuern kann, um einen
physiologisch relevanten Effekt zu erzielen.
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Die
Anwendung der somatischen Gentherapie auf Herzgewebe kann in der
Behandlung einer Anzahl von geerbten und erworbenen Herzerkrankungen
verwendet werden, wie zum Beispiel genetischen Störungen der
Myokardzellen. Als Beispiel kann die Injektion der normalen Dystrophin
cDNA verwendet werden, um die Defekte in der Herzkontraktilität, die in
Patienten mit Duchenne's
Muskeldystrophie beobachtet werden, zu korrigieren. Als ein weiteres
Beispiel kann die Injektion direkt in die linke ventrikuläre Wand
von Plasmiden, die rekombinante Angiogenesefaktoren kodieren, verwendet
werden, um neue kollaterale Zirkulation in Gebieten von chronisch
ischaemischem Myokard zu stimulieren. Somatische Gentherapie kann
auch verwendet werden, um direkt die molekularen Mechanismen zu
studieren, die die Herzmyocytengenexpression regulieren sowohl während der
Herzmyogenese als auch in einer Vielzahl von pathophysiologischen
Stadien, wie zum Beispiel Herzhypertrophie.
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Nicht
weniger als 1,5 Millionen Patienten pro Jahr in den U.S. erleiden
einen Myokardinfarkt (MI). Viele Millionen mehr leiden an den Syndromen
von chronischer Myokardischaemie aufgrund großer und kleiner Gefäß Koronar-Artherosklerose.
Viele dieser Patienten werden einen Nutzen ziehen aus der Fähigkeit,
kollaterale Gefäßbildung
in Gebieten von ischaemischen Myokard zu stimulieren. Adenovirusmediator-Gentransferverfahren
stellen einen alternativen Versuch dar zu den derzeitigen Verfahren
von Koronararterienbypass und perkutaner transluminaler Koronarangioplastik.
Insbesondere haben viele Patienten eine solch starke und diffuse
Atherosklerose, daß sie
für CABG
oder PTCA nicht in Frage kommen. So weit gibt es keine Annäherung,
welche erfolgreich die kollaterale Gefäßbildung in Gebieten von ischaemischen
Myokard stimuliert hat.
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Vorhergehende
Annäherungen
haben alle in vitro Transfektionsprotokolle in neonatale Kardiozyten
oder transgene Versuche in Mäusen
verwendet. Solche Studien werden verkompliziert durch die Tatsache,
daß neonatale
Kardiozyten nicht die in vivo Situation widerspiegeln können, und
durch die Tatsache, daß neonatale
Kardiozyten eine extrem eingeschränkte Lebensdauer in Gewebekultur
haben und nicht in das Herz eingelagert werden können.
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Desweiteren
sind transgene Versuche langwierig (erfordern 6 Monate bis 1 Jahr),
technisch schwierig und teuer. Der Gentransferweg der vorliegenden
Erfindung stellt eine Lösung
für diese
Probleme bereit und liefert die stabile Expression von rekombinanten
angiogenen Faktoren in Herzmyozyten in vivo.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Adenovirusvektors,
der eine kodierende Sequenz umfaßt, die einen angiogenen Faktor kodiert,
zur Herstellung eines Medikaments zur Behandlung einer Herzerkrankung
durch Stimulierung der Kollateralblutgefäßbildung im Herzen oder im Myokard,
worin das Medikament für
die Infusion in ein Blutgefäß ist, das
das Herz oder einen Koronarsinus durchströmt, oder für die Injektion in das Myokard.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Kollateralblutgefäßbildung
in ischaemischem Myokard stimuliert. Die Expression eines angiogenen Faktors
in eine Herzmuskelzelle wird durch ein Verfahren geregelt, das die
folgenden Schritte umfaßt:
- a) Infundieren eines Adenovirus in ein Blutgefäß, das das
Herz oder einen Koronarsinus durchströmt, oder Injizieren eines solchen
Adenovirusvektors in das Myokard, um der Muskelzelle ein Adenovirusvektorkonstrukt
zuzuführen,
das eine kodierende Sequenz umfaßt, die einen angiogenen Faktor
kodiert, wobei der Vektor die Expression des angiogenen Faktors
in die Muskelzelle antreibt; und
- b) Aufrechterhalten der Muskelzelle unter physiologischen Bedingungen,
die ausreichend sind, daß der
angiogene Faktor in der Muskelzelle exprimiert wird.
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Ein
Adenovirus, der in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist Replikations-defekt.
Vorzugsweise fehlt einem Replikations-defekten Adenovirus die frühe Genregion
E1 oder die frühen
Genregionen E1 und E3. Ein bevorzugter Adenovirus ist ein Typ 5
Adenovirus und eine kodierende Sequenz ist vorzugsweise umgeben
von Adenovirus Typ 5 Sequenzen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine kodierende Sequenz operativ geknüpft an einen Enhancer-Promoter,
der kein Adenovirus-Enhancer-Promoter ist. Ein bevorzugter Enhancer-Promoter ist ein
CMV-Promoter, ein SV40 früher
Promoter, ein RSV-Promoter oder ein MCK-Enhancer. Bevorzugter ist
ein Enhancer-Promoter ein Herzmuskel spezifischer Enhancer-Promoter.
Ein bevorzugter Herzmuskel spezifischer Enhancer-Promoter ist ein cTNC-Promoter.
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Eine
kodierende Sequenz ist operativ an eine Transkriptions-beendende
Region geknüpft. Eine
bevorzugte Transkriptions-beendende Region umfaßt ein SV40 oder Protamin-Gen Polyadenylierungssignal.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfaßt eine
kodierende Sequenz ein cDNA Insert.
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Ein
bevorzugter angiogener Faktor ist ein Wachstumsfaktor. Ein bevorzugter
solcher Wachstumsfaktor ist FGF-5, saures FGF, basisches FGF oder
PDGF.
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Die
Zuführung
ist vorzugsweise die Injektion eines Adenovirusvektorkonstrukts
direkt in eine Herzmuskelzelle in dem Myokard. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
ist die Zuführung
Infundieren eines Adenovirusvektors in ein Blutgefäß, das das
Herz durchströmt.
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Ein
Adenovirusvektorkonstrukt wird typischerweise als eine pharmazeutische
Zusammensetzung zugeführt.
Eine solche Zusammensetzung umfaßt einen physiologisch verträglichen
Träger
und eine wirksame Expressions-induzierende Menge eines Adenovirusvektorkonstrukts.
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Wie
hierin offenbart, umfaßt
ein Verfahren zur Herstellung eines Adenovirusvektorkonstrukts zur
Verwendung in der Transfizierung einer Herzmuskelzelle die folgenden
Schritte:
- a) Bereitstellen eines Adenovirus;
und
- b) Einschließen
einer kodierenden Sequenz in diesen Adenovirus, die einen angiogenen
Faktor kodiert, der für
die Einführung
in eine Herzmuskelzelle erwünscht
ist.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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I. Die Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf einen oder mehrere Mängel im
Stand der Technik. Ein Adenovirusvektorkonstrukt wird verwendet,
um ein Gen, das einen angiogenen Faktor kodiert, Herzmuskelzellen
zuzuführen,
und somit die Expression dieses angiogenen Faktors zu beeinflussen.
Die Expression des angiogenen Faktors verändert dabei die Funktion dieser
Zellen und erzielt einen physiologisch wünschenswerten Effekt.
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Die
Expression einer Herzmuskelzelle kann in dieser Art und Weise geregelt
werden, egal ob diese Zelle in situ oder in vivo in einem lebenden
Organismus ist.
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A. Verfahren zur Regulierung
der Genproduktexpression in Herzmuskelzellen
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In
einem Aspekt wird hierdurch ein Verfahren zur Regulierung der Genproduktexpression
in einer Muskelzelle des Herzen (d.h. einer Herzmuskelzelle oder
eines Herzmyocyten) offenbart. Gemäß diesem Verfahren wird ein
Adenovirusvektorkonstrukt, das eine kodierende Sequenz umfaßt, die
das Genprodukt kodiert, welches ein angiogener Faktor ist, an eine
Herzmuskelzelle zugeführt.
Die Herzmuskelzelle wird dann unter physiologischen Bedingungen
und für
einen Zeitraum gehalten, der ausreichend ist, daß das Gen die Herzmuskelzelle
durchdringen kann, daß das
Gen transkribiert wird und daß das
Produkt dieses Gens exprimiert wird.
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1. Adenovirusvektor
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Die
Verwendung von Adenovirus als ein Vektor für die Zelltransfektion ist
im Fachgebiet wohl bekannt. Adenovirusvektor-vermittelte Zelltransfektion wurde
für verschiedene
Zellen berichtet (Stratford-Perricaudet, et al., 1992).
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Ein
Adenovirusvektor, der in dem hierin offenbarten Verfahren verwendet
wird, ist Replikations-defekt.
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Ein
Virus wird Replikations-defekt gemacht durch Deletion der viralen
frühen
Genregion 1 (E1). Ein Adenovirus, dem eine E1 Region fehlt, kann
nur in Zellen replizieren, wie zum Beispiel menschlichen 293 Zellen,
welche Adenovirus frühe
Genregion 1 Gene aus ihrem zellulären Genom exprimieren. Somit
kann ein solcher Adenovirus keine Zellen töten, die nicht das frühe Genprodukt
exprimieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
fehlt einem Adenovirusvektor, der in dem Verfahren verwendet wird,
sowohl die E1 als auch die E3 frühe Genregion.
Techniken zur Herstellung von Replikations-defekten Adenoviren sind
im Fachgebiet wohl bekannt (Siehe z.B., McGrory et al., 1988, und
Gluzman et al., 1982).
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Es
wird geglaubt, daß jeder
Adenovirusvektor in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann. Somit kann ein Adenovirusvektor aus irgendwelchen der
42 verschiedenen bekannten Serotypen oder Subgruppen A–F bestehen.
Adenovirus Typ 5 der Subgruppe C ist das bevorzugte Ausgangsmaterial
zur Herstellung eines Replikations-defekten Adenovirusvektors.
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Ein
Adenovirus wird bearbeitet, um eine kodierende DNA Sequenz zur Verwendung
als ein Vektor zu enthalten. Ein solcher rekombinanter Adenovirus
wurde durch Gluzman et al., 1982, beschrieben. Einzelne DNA Sequenzen
wie zum Beispiel cDNAs, welche ein Genprodukt kodieren, werden in
den Adenovirus eingefügt,
um ein Vektorkonstrukt zu bilden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird deshalb eine kodierende Sequenz für ein Genprodukt in einen Adenovirus
eingeführt
oder eingeschlossen an der Stelle, von welcher die E1 kodierenden
Sequenzen entfernt wurden. Jedoch ist die Position der Einfügung innerhalb
der Adenovirussequenzen nicht entscheidend für die vorliegende Erfindung. Eine
kodierende Sequenz kann auch anstelle der deletierten E3 Region
in E3 Ersetzungsvektoren eingefügt
werden, wie zuvor beschrieben durch Karlsson et al. (1986). Vorzugsweise
wird die E1 Region eines Adenovirus ersetzt durch die kodierende
DNA Sequenz oder das Gen.
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Der
resultierende Adenovirusvektor wird kotransfiziert in 293 Zellen
zusammen mit einem Plasmid, das ein komplettes Adenovirusgenom trägt, um den
Adenovirus zu vermehren. Ein beispielhaftes solches Plasmid ist
pJM17. Die Kotransfektion wird durchgeführt gemäß Standardverfahren, die im Fachgebiet
wohl bekannt sind. Als ein Beispiel werden 293 Zellen in Dulbecco's modifiziertem Eagle's Medium kultiviert,
das fötales
Kälberserum
enthält. Zusammenfließende Kulturen
werden am Tag vor der Kalziumphosphatkotransfektion der Plasmide
zerteilt. Nach der Zugabe der DNA zu den Zellen werden die Zellen
erschüttert
(z.B., ein 15% Glycerolschock), um die Transfektionseffizienz zu
steigern, und die Zellen werden mit Agar in DMEM, das fötales Kälberserum,
Penizilin, Streptomycisulfat und andere Antibiotika oder antifungale
Wirkstoffe wie benötigt
enthält, überschichtet.
Monoschichten werden inkubiert bis virale Plaques erscheinen (ungefähr 5–15 Tage).
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Diese
Plaques werden ausgelesen, in Medium suspendiert, das fötales Kälberserum
enthielt, und verwendet um eine neue Monoschicht von 293 Zellen
zu infizieren. Wenn mehr als 90% der Zellen eine Infektion zeigten,
wurden virale Lysate einem Frier-/Tauzyklus unterworfen und als
primäre
Stocks bezeichnet. Die Anwesenheit von rekombinantem Virus wird
bestätigt
durch Zubereitung von viraler DNA aus infizierten 293 Zellen, Restriktionsanalyse
und Southern Blotting. Sekundäre
Stocks werden danach erzeugt durch Infizieren von 293 Zellen mit
primärem Virusstock
bei einer Menge von Infektion von 0,01 und Inkubation bis zur Lyse.
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Die
spezielle verwendete Zell-Linie, um die rekombinanten Adenoviren
zu vermehren, ist nicht entscheidend für die vorliegende Erfindung.
Rekombinante Adenovirusvektoren können vermehrt werden auf z.B.,
menschlichen 293 Zellen, oder in anderen Zell-Linien, die die bedingungsgemäße replikationsdefekte
Adenovirusinfektion zulassen, z.B., denjenigen, welche Adenovirus
E1 Genprodukte "in trans" exprimieren, um
den Defekt in einem bedingungsgemäßen replikationsdefekten Vektor
zu vervollständigen.
Desweiteren können
die Zellen entweder auf Plastikscheiben oder in Suspensionskultur vermehrt
werden, um Virusstocks davon zu erhalten.
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2. Kodierende
Sequenz
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Wie
hierin verwendet bedeutet der Ausdruck "Polypeptid" ein Polymer von Aminosäuren, die
durch Amidbindungen verbunden sind, worin die Anzahl der Aminosäurereste
im Bereich von ungefähr
5 bis ungefähr
einer Million liegen kann. Vorzugsweise hat ein Polypeptid von ungefähr 10 bis
ungefähr
1000 Aminosäurereste
und, noch bevorzugter von ungefähr
20 bis ungefähr
500 Aminoreste. Somit schließt, wie
hierin verwendet, ein Polypeptid ein was oft im Fachgebiet als ein
Oligopeptid bezeichnet wird (5–10 Aminosäurereste),
ein Polypeptid (11–100
Aminosäurereste)
und ein Protein (> 100
Aminosäurereste).
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Ein
Polypeptid, das durch eine kodierende Sequenz kodiert wird, kann
eine posttranslationale Modifikation erfahren, um Konjugate zu bilden
mit Kohlenhydraten, Lipiden, Nukleinsäuren und dergleichen, um Glycopolypeptide
(z.B. Glycoproteine), Lipopolypeptide (z.B. Lipoproteine) und andere ähnliche
Konjugate zu bilden.
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Ein
Polypeptid, das durch eine kodierende Sequenz eines Adenovirus,
der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kodiert wird,
ist ein angiogener Faktor. Eine kodierende Sequenz kann Introns und
Exons umfassen, so lange wie die kodierende Sequenz mindestens einen
offenen Leserahmen für die
Transkription, Translation und Expression dieses Polypeptids umfaßt. Somit
kann eine kodierende Sequenz ein Gen, ein zerteiltes Gen oder ein
cDNA Molekül
umfassen. In dem Fall, daß die
kodierende Sequenz ein zerteiltes Gen umfaßt (enthält ein oder mehrere Introns)
muß eine
Zelle, die mit einem DNA Molekül,
das das zerteilte Gen enthält,
transformiert oder transfiziert wurde, ein Mittel zum Entfernen
dieser Introns und zum Zusammensplicen der Exons in das RNA Transkript
von dem DNA Molekül
haben, wenn die Expression dieses Genprodukts gewünscht ist.
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Ein
Polypeptid, das durch eine kodierende Sequenz eines Adenovirusvektorkonstrukts,
das in der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, kodiert wird,
verändert
die Funktion einer Herz- oder glatten Gefäßmuskelzelle, die dem Polypeptid
ausgesetzt ist. Beispielhafte und bevorzugte Polypeptide sind Wachstumsfaktoren,
wie zum Beispiel ein endothelialer Wachstumsfaktor oder ein glatter
Gefäßmuskelwachstumsfaktor;
oder ein Wachstumsfaktorrezeptor.
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Ein
bevorzugter Wachstumsfaktor ist ein Fibroblastenwachstumsfaktor
(FGF) wie zum Beispiel FGF-5, saures FGF und basisches FGF; oder
ein Plättchen-abgeleiteter
Wachstumsfaktor (platelet derived growth factor, PDGF).
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Ein
bevorzugter Rezeptor ist der mutante PDGF Rezeptor (Siehe z.B.,
Fantl et al., 1989; Coughlin et al., 1990 und Escobedo et al., 1988)
oder ein mutanter FGF Rezeptor (Siehe z.B., Peters et al., 1991;
Mohammadi et al., 1992; Amaya et al, 1991 und Bellot et al, 1991).
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3. Enhancer-Promoter
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Eine
kodierende Sequenz eines Adenovirusvektorkonstrukts ist vorzugsweise
operativ verknüpft mit
einem Enhancer-Promoter, der kein Adenovirus Enhancer-Promoter ist.
Ein Promoter ist eine Region eines DNA Moleküls, typischerweise innerhalb
ungefähr
100 Nukleotidpaaren vor (stromaufwärts von) dem Punkt, bei welchem
die Transkription beginnt (d.h., einer Transkriptionsstartstelle).
Diese Region enthält
typischerweise verschiedene Typen von DNA Sequenzelementen, welche
in ähnlichen
relativen Positionen in unterschiedlichen Genen angeordnet sind.
Wie hierin verwendet, schließt
der Ausdruck "Promoter" das ein, was im
Fachgebiet als eine stromaufwärts
Promoterregion bezeichnet wird, eine Promoterregion oder einen Promoter
einer generalisierten eukaryotischen RNA Polymerase II Transkriptionseinheit.
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Ein
anderer Typ eines einzelnen Transkriptionsregulatorischen Sequenzelements
ist ein Enhancer. Ein Enhancer stellt Spezifität in der Zeit, dem Ort und
dem Expressionsspiegel für
eine spezielle kodierende Region (z.B. einem Gen) bereit. Eine Hauptfunktion
eines Enhancers ist es, den Spiegel der Transkription einer kodierenden
Sequenz in einer Zelle zu erhöhen,
die einen oder mehrere Transkriptionsfaktoren enthält, die
an den Enhancer binden. Im Gegensatz zu einem Promoter kann ein
Enhancer funktionieren, wenn er an veränderlichen Entfernungen von
Transkriptionsstartstellen angeordnet ist, solange ein Promoter
anwesend ist.
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Wie
hierin verwendet bedeutet der Ausdruck "Enhancer-Promoter" eine zusammengesetzte Einheit, die
sowohl Enhancer- als
auch Promoterelemente enthält.
Ein Enhancer-Promoter ist operativ geknüpft an eine kodierende Sequenz,
welche mindestens ein Genprodukt kodiert. Wie hierin verwendet bedeutet
der Ausdruck "operativ
verknüpft", daß ein Enhancer-Promoter
an eine kodierende Sequenz in der Art gebunden ist, daß die Transkription
der kodierenden Sequenz durch den Enhancer-Promoter gesteuert und reguliert wird.
Mittel zur operativen Verknüpfung
eines Enhancer-Promoters an eine kodierende Sequenz sind im Fachgebiet
wohl bekannt. Wie es ebenfalls im Fachgebiet wohl bekannt ist, ist die
genaue Orientierung und Anordnung relativ zu einer kodierenden Sequenz,
deren Transkription gesteuert wird, inter alia abhängig von
der spezifischen Natur des Enhancer-Promoters. Somit ist ein TATA Box
minimaler Promoter typischerweise von ungefähr 25 bis ungefähr 30 Basenpaaren
stromaufwärts von
einer Transkriptionsinitiationsstelle angeordnet und ein Stromaufwärtspromoterelement
ist typischerweise von ungefähr
100 bis ungefähr
200 Basenpaaren stromaufwärts
von einer Transkriptionsinitiationsstelle angeordnet. Im Gegensatz
dazu kann ein Enhancer stromabwärts
von der Initiationsstelle angeordnet sein und kann in einem erheblichen
Abstand von dieser Stelle liegen.
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Ein
Enhancer-Promoter, der in einem Vektorkonstrukt verwendet wird,
das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann jeder Enhancer-Promoter
sein, der die Expression in einer Herzmuskelzelle antreibt. In einem
hiernach bekannt gemachten Beispiel wurde der menschliche Cytomegalievirus (CMV)
unmittelbare frühe
Genpromoter verwendet, um zu einer Hochniveau-Expression eines Gens
zu führen.
Jedoch ist die Verwendung von anderen viralen oder Säugetier-zellulären Promotern,
welche im Fachgebiet wohl bekannt sind, auch geeignet um die Expression
des Genprodukts zu erreichen, vorausgesetzt, daß die Spiegel der Expression
ausreichend sind, um einen physiologischen Effekt zu erzielen. Beispielhafte
und bevorzugte Enhancer-Promoter sind der CMV Promoter, der Rous
Sarkoma Virus (RSV) Promoter und der Muskel-spezifische Creatinkinase
(MCK) Enhancer (Zambetti et al., 1992; Yi et al., 1991 und Sternberg
et al., 1988).
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Durch
Verwenden eines Enhancer-Promoters mit wohl bekannten Eigenschaften
kann der Spiegel und das Muster der Genproduktexpression optimiert
werden. Zum Beispiel erlaubt die Auswahl eines Enhancer-Promoters,
der spezifisch in Herzzellen aktiv ist, die Gewebe-spezifische Expression des
Genprodukts. Ein bevorzugter Herzmuskel-spezifischer Enhancer-Promoter
ist ein Herz-isoformer Troponin C (cTNC) Promoter (Siehe z.B., Parmacek et
al., 1992 und Parmacek et al., 1990). Desweiteren kann die Auswahl
eines Enhancer-Promoters, der als Reaktion auf ein spezifisches
physiologisches Signal gesteuert wird, eine induzierbare Genproduktexpression
erlauben.
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4. Transkriptions-beendende
Region
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Eine
kodierende Sequenz eines Adenovirusvektorskonstrukts wird operativ
an eine Transkriptions-beendende Region geknüpft. RNA Polymerase transkribiert
eine kodierende DNA Sequenz durch eine Stelle, wo Polyadenylierung
stattfindet. Typischerweise dienen DNA Sequenzen, die einige hundert
Basenpaare stromabwärts
von der Polyadenylierungsstelle lokalisiert sind, dazu die Transkription
zu beenden. Solche DNA Sequenzen werden hierin als Transkriptions-beendende
Regionen bezeichnet. Solche Regionen sind erforderlich für eine effiziente Polyadenylierung
von transkribierter Messenger RNA (mRNA).
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Transkriptions-beendende
Regionen sind im Fachgebiet wohl bekannt. Eine bevorzugte Transkriptions-beendende
Region, die in einem Adenovirusvektorskonstrukt der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, umfaßt
ein Polyadenylierungssignal von SV40 oder dem Protamingen.
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5. Zuführung
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Mittel,
durch welche ein Adenovirusvektorskonstrukt zu einer Herzmuskelzelle
zugeführt
wird, hängen
davon ab, ob die Herzmuskelzelle in situ oder in vivo angeordnet
ist. Wo eine Herzmuskelzelle in situ angeordnet ist (z.B., in einem
intakten Herzen), wird die Zuführung
vorzugsweise erreicht durch (1) Durchströmen der in situ Zubereitung
mit einer Lösung,
die einen Adenovirusvektor enthält,
oder (2) Injizieren eines solchen Vektors in einen Herzmuskel (z.B.,
Ventrikelwand, Vorhofwand). Gemäß einer
unveröffentlichten
Studie führte
die Injektion eines rekombinanten DNA Moleküls in das Myokard zu der Expression
des Genprodukts, das durch das Molekül kodiert wird. Ein rekombinantes
bakterielles β-Galaktosidasegen
unter der Kontrolle eines Rous Sarcoma Virus Promoters wurde in
erwachsene Ratten-Herzmyozyten
in vivo durch die Injektion von gereinigter Plasmid DNA direkt in
die linke Ventrikelwand eingeführt
und exprimiert. Herzmyozyten, die die rekombinante β-Galactosidaseaktivität exprimierten,
wurden histochemisch für
mindestens sechs Monate im Rattenherz detektiert nach der Injektion
des rekombinanten β-Galactosidasegens.
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Es
wurde herausgefunden, daß nur
Herzmuskelzellen den Vektor aufgenommen und β-Gal exprimiert hatten. Es wurde
keine Expression von β-Gal
in anderen Zellen in dem Herzen wie zum Beispiel Fibroblasten oder
den Zellen, die die Herzblutgefäße auskleiden,
beobachtet. Mehr als ungefähr 75
Prozent der Herzen, die die injizierte DNA erhielten, exprimierten
das fremde Gen, und diese Expression war für Zeiträume von mindestens sechs Monaten
stabil.
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Als
ein weiteres Beispiel war in der oben genannten unveröffentlichten
Studie die direkte Injektion eines Gens für Fibroblastenwachstumsfaktor
5 (ein Angiogenesefaktorgen) assoziiert mit einem Anstieg in der
Kapillarenanzahl in dem injizierten Herz. Nach der Injektion eines
rekombinanten Plasmids, das FGF-5 DNA umfaßte, wurde ein 30–40 prozentiger Anstieg
in der Zahl der Kapillaren in der injizierten Herzwand beobachtet
verglichen mit Herzen, denen Kontroll-DNA-Lösungen injiziert worden waren.
Eine mikroskopische Untersuchung brachte hervor, daß die Struktur
der Kapillaren in den injizierten Herzen normal war.
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Ratten
wurde ein Plasmid-kodierender menschlicher Fibroblastenwachstumsfaktor
5 (hFGF-5) injiziert in einem Versuch, die Angiogenese oder den
beidseitigen Blutfluß in
dem erwachsenen Rattenherz zu stimulieren. Die Ratten wurden 3 Wochen
nach der Injektion getötet
und die kapillare Dichte wurde gemessen durch Computer-gesteutere Lichtmikroskopie.
Ratten, denen Kontrollvektoren injiziert worden waren, zeigten ungefähr 2300
Kapillaren/mm2 (p < 0,001). Somit stimuliert die direkte
Injektion eines Fibroblastenwachstumsfaktor 5 Expressionsvektors
die kollaterale Gefäßbildung
in Gebieten von injiziertem Myodard.
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Wo
eine Herzmuskelzelle in vivo angeordnet ist, wird die Zuführung vorzugsweise
durch (1) Infundieren eines Adenovirusvektors in ein Blutgefäß, das das
Herz durchströmt,
oder (2) Injizieren eines Adenovirusvektors direkt in einen Herzmuskel,
wie zum Beispiel eine Ventrikel- oder Vorhofwand, erzielt. In einer
insbesondere bevorzugten in vivo Ausführungsform wird ein Katheter
in ein Blutgefäß im Nacken
eines Organismus eingeführt
und die Spitze des innewohnenden Katheters wird mit fluoroskopischer Führung bis
zu einer Position in einer Koronararterie oder einem Koronarsinsus
vorgeschoben, die einen Teil des Myokards durchströmt. Es wird
bevorzugt, daß die
Spitze eines innewohnenden Katheters in der Nähe zu einem Gebiet des Herzens
platziert wird, welches zu transfizierende Herzzellen enthält. Somit wird
in einer bevorzugten Ausführungsform
ein innewohnender Katheter in entweder eine externe Drosselader
oder eine Halsschlagader eingeführt
und der Katheter wird vorgeschoben bis die Spitze des Katheters
am Eingang des Koronarsinus oder der linken Kornoararterie angeordnet
ist. Als ein Beispiel exprimierten Herzmuskelzellen β-Gal, wo
Herzmuskelzellen mit einem Adenovirusvektorkonstrukt transfiziert wurden,
das eine kodierende Sequenz für β-Galactosidase
(β-Gal)
umfaßte,
durch Infundieren des Vektors über
einen Katheter, der in die linke Koronararterie oder den Eingang
des Koronarsinus platziert war (siehe Beispiele 1 und 2 hiernach).
-
Nach
der Zuführung
eines Adenovirusvektorkonstrukts zu einer Herzmuskelzelle wird diese
Zelle unter physiologischen Bedingungen und für einen Zeitraum gehalten,
der ausreichend ist, daß das
Adenovirusvektorkonstrukt die Herzzelle infiziert und dass eine
kodierende Sequenz, die in dem Konstrukt enthalten ist, zellulär exprimiert
wird.
-
Physiologische
Bedingungen sind diejenigen, die notwendig sind für das Überleben
der Herzmuskelzelle und sie schließen Bedingungen der Temperatur,
des pH, der Osmolalität
und dergleichen ein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Temperatur
von ungefähr
20°C bis
ungefähr
50°C, bevorzugter
von ungefähr
30°C bis
ungefähr
40°C und
noch bevorzugter ungefähr
37°C.
-
Der
pH ist vorzugsweise von ungefähr
einem Wert von 6,0 bis zu einem Wert von ungefähr 8,0, bevorzugter von ungefähr einem
Wert von ungefähr
6,8 bis zu einem Wert von ungefähr
7,8 und, am meisten bevorzugt ungefähr 7,4. Die Osmolalität ist vorzugsweise
von ungefähr
200 Milliosmol pro Liter (mosm/L) bis ungefähr 400 mosm/L und, noch bevorzugter
von ungefähr
290 mosm/L bis ungefähr
310 mosm/L. Andere physiologische Bedingungen, die erforderlich sind,
um das Überleben
der Herzmuskelzelle zu stützen,
sind im Fachgebiet wohl bekannt.
-
Ein
Zeitraum, der ausreichend ist für
die Expression einer kodierenden Sequenz in einer Herzzelle variiert
inter alia, wie es im Fachgebiet wohl bekannt ist, abhängig vom
Typ Adenovirusvektor, der verwendet wird, und vom Zuführungsverfahren.
Wo der Adenovirusvektor vom Typ 5 Adenovirus abgeleitet wurde und
der Virusvektor in eine Koronararterie infundiert wurde, wurde die
Expression 3 bis 5 Tage nach der Infusion beobachtet. (Siehe Beispiel
2 hiernach).
-
Es
soll auch herausgestellt werden, daß weil der verwendete Adenovirusvektor
defekt ist, er nicht in der Lage ist in den Zellen zu replizieren,
die letztlich infiziert werden.
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Desweiteren
wurde herausgefunden, daß die
genomische Integrationsfrequenz von Adenovirus üblicherweise ziehmlich gering
ist. Somit kann es notwendig sein, wo eine andauernde Behandlung
erforderlich ist, den Virus alle 6 Monate bis ein Jahr wieder einzuführen. Unter
diesen Umständen
kann es deshalb notwendig sein, eine Langzeittherapie durchzuführen, wo
Expressionsspiegel zu ausgewählten
Intervallen beobachtet werden.
-
Ein
Adenovirusvektorkonstrukt wird typischerweise in der Form einer
pharmakologischen Zusammensetzung zugeführt, die einen physiologisch verträglichen
Träger
und den Adenovirusvektor umfaßt.
Eine effektive Expressions-induzierende Menge eines Adenovirusvektorkonstrukts
wird zugefüht.
Wie hierin verwendet bedeutet der Ausdruck "effektive Expressions-induzierende Menge" die Anzahl an Virusvektorpartikeln,
die notwendig ist, um die Expression eines Genprodukts zu bewirken,
das durch eine kodierende Sequenz, die in dem Vektor enthalten ist, kodiert
wird. Mittel zur Bestimmung einer effektiven Expressions-induzierenden
Menge eines Adenovirusvektorkonstrukts sind im Fachgebiet wohl bekannt.
Eine effektive Expressions-induzierende
Menge ist typischerweise von ungefähr 107 Plaque-bildenden Einheiten
(plaque forming units, pfu) bis ungefähr 1015 pfu,
vorzugsweise von ungefähr
108 pfu bis ungefähr 1014 pfu,
und noch bevorzugter von ungefähr
109 bis ungefähr 1012 pfu.
-
Wie
im Fachgebiet wohl bekannt ist, hängt ein spezifischer Dosisspiegel
für jeden
speziellen Patienten von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der
Infektiosität
des Adenovirusvektors, dem Alter, dem Körpergewicht, der allgemeinen
Gesundheit, dem Geschlecht, der Ernährung, der Verabreichungszeit,
dem Verabreichungsweg, der Ausscheidungsrate und der Schwere der
speziellen Krankheit, die therapiert wird.
-
Weil
ein Adenovirus ein Virus ist, der Menschen infiziert, kann es bestimmte
Personen geben, welche Antikörper
gegen bestimmte Adenovirusproteine entwickelt haben. Unter diesen
Umständen
ist es möglich,
daß solche
Personen eine immunologische Reaktion gegen den Virus entwickeln.
Somit kann man, wo eine immunologische Reaktion für möglich gehalten
wird, zuerst den Patienten testen, um die Existenz von Antikörpern zu
bestimmen. Ein solcher Test kann in einer Vielzahl von anerkannten Art
und Weisen durchgeführt
werden, zum Beispiel durch einen einfachen Hauttest oder durch einen
Test der zirkulierenden Blutspiegel von Adenovirus neutralisierenden
Antikörpern.
In der Tat könnte
es unter solchen Umständen
wünschenswert
sein, eine Testdosis in der Größe von × 106 bis 1 × 106 o.ä.
Viruspartikel einzuführen.
Dann wird, wenn keine ungünstige
Reaktion gesehen wird, die Dosis über einen Zeitraum erhöht, bis
die gewünschte
Dosis erreicht ist, wie zum Beispiel durch die Verabreichung von
wachsenden Dosierungen von ungefähr
einer Größenordnung.
-
C. Pharmazeutische Zusammensetzungen
-
In
einer pharmazeutischen Zusammensetzung, die gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird,
wird der Adenovirusvektor in einer physiologisch verträglichen
Lösung
oder einem Puffer dispergiert.
-
Die
Zusammensetzung wird typischerweise parenteral verabreicht, wie
oben offenbart, in Dosiseinheitsformulierungen, die übliche,
wohl bekannte, nicht toxische physiologisch verträgliche Träger, Hilfsstoffe
und Vehikel, wie gewünscht,
enthalten.
-
Injizierbare
Zubereitungen, zum Beispiel sterile injizierbare wässerige
oder ölige
Suspensionen, werden gemäß dem Stand
der Technik formuliert unter Verwendung von geeigneten Dispersions-
oder Befeuchtungsmitteln und Suspendiermitteln. Die sterile injizierbare
Zubereitung kann auch eine sterile injizierbare Lösung oder
Suspension sein in einem nicht toxischen parenteral verträglichen
Verdünnungsmittel
oder Lösungsmittel,
zum Beispiel als eine Lösung
in 1,3-Butandiol.
-
Unter
den verträglichen
Vehikeln und Lösungsmitteln,
die verwendet werden können,
sind Wasser, Ringer Lösung,
und isotonische Natriumchloridlösung.
Zusätzlich
werden sterile fette Öle üblicherweise
als ein Lösungsmittel
oder Suspendiermedium verwendet. Zu diesem Zweck kann jedes reine
fette Öl
verwendet werden, einschließlich
synthetischer mono- oder
di-Glyceride. Zusätzlich
finden Fettsäuren,
wie zum Beispiel Ölsäure, Verwendung in
der Herstellung von Injektabilia.
-
Bevorzugte
Träger
schließen
neutrale Salzlösungen,
gepuffert mit Phosphat, Lactat, Tris und dergleichen ein. Natürlich reinigt
man den Vektor ausreichend, um ihn im wesentlichen frei von unerwünschten
Kontaminanten zu machen, wie zum Beispiel defekten störenden Adenoviruspartikeln
oder Endotoxinen und anderen Pyrogenen, so daß sie keine ungünstigen
Reaktionen in dem Patienten bewirken, der das Vektorkonstrukt erhält. Ein
bevorzugtes Mittel zur Reinigung des Vektors schließt die Verwendung
von Schwimmdichte-Gradienten ein, wie zum Beispiel die Caesiumchloridgradienten-Zentrifugation.
-
D. Verfahren zur Herstellung
eines Adenovirusvektorkonstrukts
-
Das
Verfahren zur Herstellung eines Adenovirusvektorkonstrukts zur Verwendung
bei der Regulierung der Genproduktexpression in einem Herzmuskel
umfaßt
folgende Schritte:
- a) Bereitstellen eines Adenovirus;
und
- b) Einschließen
in den Adenovirus einer kodierenden Sequenz, die einen angiogenen
Faktor kodiert, der erwünscht
ist für
die Einführung
in eine Herzmuskelzelle.
-
Eine
kodierende Sequenz wird in einen Adenovirus eingeschlossen unter
Verwendung von Standardtechniken, die im Fachgebiet wohl bekannt
sind, so daß das
Genprodukt, das durch diese Sequenz kodiert wird, in einer Muskelzelle
exprimiert wird, die mit dem Adenovirusvektorkonstrukt infiziert
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine kodierende Sequenz operativ gebunden an einen nicht-Adenovirus
Enhancer-Promoter. Beispielhafte und bevorzugte solche Enhancer-Promoter
sind oben bekannt gemacht.
-
Die
folgenden Beispiele veranschaulichen die Herstellung von Adenovirusvektoren
und deren Verwendung bei der Zuführung
eines Gens an Herzmuskelzellen in vivo.
-
BEISPIEL 1: Herstellung
eines Adenovirusvektorkonstrukts
-
Dieses
Beispiel beschreibt die Verwendung von rekombinanten Replikations-defekten
Adenoviren in der Herstellung von Virusvektorkonstrukten, die eine
kodierende DNA Sequenz umfassen.
-
Rekombinanter
Adenovirus (Gluzman et al., 1982), der unterschiedliche cDNAs enthält (AdCMV-cDNA)
wurde hergestellt in Übereinstimmung mit
Standardtechniken, die im Fachgebiet wohl bekannt sind. E. coli β-Galactosidase
cDNA, die das SV40 T Antigen Kernzielsignal trägt (Bonnerot et al.,, 1987)
wurde in pAdCMV eingefügt,
um ein unterschiedliches Konstrukt zu erzeugen, das den Cytomegalievirus
(CMV) Promoter, die β-Gal
cDNA und ein Polyadenylierungssignal von entweder dem SV40 Virus
oder dem Mausprotamingen umfaßt,
und von Adenovirus Typ 5 Sequenzen umgeben ist. In diesem Konstrukt
wurden die E1 und E3 Region von Adenovirus deletiert und die E1
Region wurde ersetzt durch die β-Gal kodierende Sequenz.
-
Das
resultierende Plasmid, bezeichnet als AdCMVβ-Gal, wurde in 293 Zellen co-transfiziert.
Die Co-Transfektion wurde wie folgt durchgeführt: 293 Zellen wurden in Dulbecco's modifiziertem Eagle's Medium (DMEM) kultiviert,
das 2% fötales
Kälberserum
enthielt. Zusammenfließende
Platten wurden in nicht zusammenfließende Kolben aufgeteilt am
Tag vor der Co-Transfektion
mit pAdCMVβ-Gal.
Monoschichten wurden inkubiert bis virale Plaques erschienen.
-
Dieses
Plaques wurden herausgepickt, in DMEM suspendiert, welches 2% fötales Kälberserum enthielt,
und dafür
verwendet, um eine neue Monoschicht von 293 Zellen zu infizieren.
Wenn mehr als 90% der Zellen eine Infektion zeigten, wurden die
viralen Lysate einem Frier-/Tauzyklus unterworfen und als primäre Stocks
bezeichnet. Rekombinanter Virus mit der korrekten Struktur wurde
bestätigt
durch Herstellung von viraler DNA aus produktiv infizierten 293 Zellen,
Restritktionsanalyse, und Southern Blotting. Sekundäre Stocks
wurden danach erzeugt durch Infizieren von 293 Zellen mit primärem Virusstock
und Inkubation bis zur Lyse.
-
Die
großformatige
Produktion von rekombinantem Adenovirus wurde in 293 Zellen durchgeführt. Infizierte
Zellen wurden 48 Stunden nach der Infektion lysiert. Virus-enthaltende
Extrakte wurden zentrifugiert, um die Debris zu entfernen vor der
Ausfällung
des Virus. Virus wurde durch Zentrifugation gesammelt, in isotonischem
Medium resuspendiert, gereinigt, und sterilisiert.
-
Alternativ
kann ausgefallener Virus in 50 mM Tris-HCl pH 7,8, enthaltend CsCl
(d = 1,10 g/ml) resuspendiert werden, über einen schrittweisen Gradienten,
gebildet aus 2 ml CsCl (d = 1,40) und 3 ml CsCl (d = 1,30), geschichtet
werden, und 2 Stunden bei 20,000 rpm bei 10°C in einem Sorvall TH641 Rotor
zentrifugiert werden. Virus wird von der unteren Grenzfläche gesammelt
und über
Nacht bei 4°C
gegen isotonische Salzlösung
dialysiert.
-
BEISPIEL 2: Funktionale
Expression von AdCMVβ-Gal
-
Erwachsene
Kaninchen wurden betäubt
und ein Katheter wurde in die rechte Carotisarterie oder die innere
Drosselvene eingeführt.
Die Spitze des Katheters wurde unter fluoroskopischer Führung zu der
linken Koronararterie oder dem Eingang des Koronarsinus vorgeschoben.
-
Ungefähr 1000 μg bis 1500 μg des Adenovirusvektorkonstrukts
pAdCMVβ-Gal,
hergestellt in Übereinstimmung
mit den Verfahren von Beispiel 1, wurden in physiologisch gepufferter
Salzlösung
suspendiert. Ungefähr
2 × 109 Plaque bildende Einheiten (pfu) von pAdCMVβ-Gal wurden
in den innewohnenden Katheter infundiert. Der Katheter wurde entfernt, alle
Einschnitte wurden geschlossen und man erlaubte den Kaninchen sich
zu erholen. Die Kaninchen wurden 5 bis ungefähr 21 Tage nach der Injektion
getötet.
Das Herz und die damit assoziierte Gefäßversorgung wurde entfernt
und histochemisch auf β-Gal-Aktivität untersucht,
wie unten bekannt gemacht.
-
Drei
Millimeter Querschnitte des linkten Ventrikels wurden für 5 Minuten
bei Raumtemperatur mit 1,25 Glutaraldehyd in PBS fixiert, drei mal
bei Raumtemperatur in PBS gewaschen, und auf β-Galactosidaseaktivität mit X-Gal (Biorad) für 4–16 Stunden
gefärbt,
wie durch Nabel et al. beschrieben (Nabel, et al., (1989). Die 3
mm Abschnitte wurden mit Glycomethocyrlat eingebettet, und 4–7 μm Abschnitte wurden
geschnitten und gegengefärbt
mit Hematoxylin und Eosin wie zuvor beschrieben. (Nabel, et al., 1989).
-
Photomikroskopie
wurde durchgeführt
unter Verwendung von Kodak Ektachrome 200 Faden und Leitz Laborlux
D und Wild M8 Mikroskopen. β-Gal-Aktivität wurde
beobachtet in glatten Gefäßmuskeln
des Herzens und in Herzmuskelzellen.
-
REFERENZEN
-
Die
Referenzen, die unten aufgelistet sind, sind hierin durch die Bezugnahme
eingeschlossen bis zu dem Ausmaß,
daß sie
ergänzen,
erklären,
einen Hintergrund liefern oder Methodiken, Techniken und/oder Zusammensetzungen,
die hierin verwendet werden, lehren.
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