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DE4339352A1 - Verfahren zur Markierung von Zellen, mit diesem Verfahren markierte Zellen, Verwendung des Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus zur Markierung von Zellen und Testkits zum Nachweis des Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus in Zellen - Google Patents

Verfahren zur Markierung von Zellen, mit diesem Verfahren markierte Zellen, Verwendung des Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus zur Markierung von Zellen und Testkits zum Nachweis des Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus in Zellen

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DE4339352A1
DE4339352A1 DE4339352A DE4339352A DE4339352A1 DE 4339352 A1 DE4339352 A1 DE 4339352A1 DE 4339352 A DE4339352 A DE 4339352A DE 4339352 A DE4339352 A DE 4339352A DE 4339352 A1 DE4339352 A1 DE 4339352A1
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DE
Germany
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cells
wild
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type adeno
adeno
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DE4339352A
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Roland Prof Dr Mertelsmann
Lothar Prof Dr Kanz
Hendrik Dr Veeklen
Reinhard Dr Henschler
Wolfram Dr Brugger
Jean Prof Dr Rommelaere
Juergen Dr Kleinschmidt
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Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Universitaetsklinikum Freiburg
Original Assignee
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Universitaetsklinikum Freiburg
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Publication date
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Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Markierung von Zellen, bei dem die Zellen genetisch dadurch markiert werden, daß diese Zellen mit einem Virus infiziert werden, das in die DNA der zu markierenden Zellen integriert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Zellen ex vivo markiert werden und es wird hierdurch ermöglicht, das weitere Schicksal dieser Zellen, insbesondere nach Rückführung der Zellen in den Spenderorganismus zu verfolgen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zur genetischen Markierung der zu markierenden Zellen das sogenannte Adeno- assoziierte Virus eingesetzt. In besonders bevorzugter Weise werden Virusstämme vom Wildtyp eingesetzt, d. h. diese Virusstämme werden nicht genetisch manipuliert durch Veränderung des Virus.
Das Adeno-assoziierte Virus ist bereits bekannt. In der Veröffentlichung von Srivastava et al., Journal of Virology, Februar 1983, Vol. 45, S. 555-564, wird die Nukleotidsequenz und die Organisation des Adeno-assoziierten Virusgenoms offenbart. Auf die in dieser Veröffentlichung offenbarte Nukleotidsequenz wird ausdrücklich Bezug genommen und diese Sequenz wird hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Bei dem Adeno-assoziierten Virus handelt es sich um ein Virus vom DNA-Typ, das normalerweise eine Co-Infektion mit einem zweiten Virus benötigt, um eine Infektion zu erzielen. Deshalb wird das Adeno-assoziierte Virus zu den defekten Parvoviren gerechnet. Als Helferviren fungieren das Adenovirus oder das Herpes-Simplex-Virus, die eine effiziente Replikation des Adeno-assoziierten Virus in vitro ermöglichen. Obwohl es sich bei dem Adeno-assoziierten Virus um ein menschliches Virus handelt, ist dessen Wirtsbereich für das lytische Wachstum unüblich breit. Vermutlich jede Säugerzelle, die bisher getestet wurde, einschließlich menschliche Zellen, Kaninchenzellen, Rinderzellen oder Nagerzellinien können mit dem Adeno-assoziierten Virus (im folgenden kurz AAV) infiziert werden, vorausgesetzt ein geeignetes Helfervirus wird verwendet. Die Helferviren müssen natürlich zu den Wirtszellen passen. Trotz des weiten Wirtsbereichs wird durch das AAV weder bei Menschen noch bei Tieren eine Erkrankung beobachtet.
Obwohl ein bestimmter Prozentsatz der menschlichen Bevölkerung mit AAV infiziert ist, deuten neuere Erkenntnisse darauf hin, daß das AAV nur in bestimmte Zellen integrieren kann. Bekannt ist, daß sich das AAV in das Chromosom 19 der Epithelzellen des Respirationstraktes integrieren kann. Bei anderen Zellen wurde nur in äußerst geringen Prozentsätzen (unter 2%) eine natürliche Integration des AAV-Virus beobachtet. Diese Erkenntnis ermöglicht die Verwendung von AAV als genetischen Marker, da eine Infektion von anderen als den natürlicherweise befallenen Zellen nur dadurch erzielt werden kann, daß in vitro gezielt eine Infektion durchgeführt wird.
Insbesondere die hämatopoetischen Vorläuferzellen werden durch das AAV in vivo bei bis zu etwa 98% der Bevölkerung nicht infiziert. Wenn also derartige Zellen in vitro mit AAV infiziert werden, dann integriert dieses Virus stabil in das Chromosom der Zellen und diese Zellen sind dann markiert durch den Gehalt des AAV-Genoms im Genom der markierten Zellen.
Mit Hilfe dieser genetischen Markierung kann das Schicksal der markierten Zellen weiterverfolgt werden. Da sich das AAV in das Chromosom der markierten Zellen integriert, wird es auch bei der Vermehrung der Zellen mit vermehrt und die sich aus den markierten Zellen entwickelnden Klone können anhand der Markierung erkannt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Forschungsarbeit, da das weitere Schicksal der markierten Zellen und der daraus abgeleiteten Nachfahren verfolgt werden kann.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß lediglich Wildtyp-Adeno-assoziierte Viren verwendet werden, die anerkanntermaßen apathogen sind. Eine Integration des AAV in das Wirtsgenom läßt also keine Krankheiten oder sonstigen Nachteile für den Empfängerorganismus erwarten.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß verwendeten Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus ist, daß sich das Virus zwar ins Wirtsgenom integrieren kann, aber von dort nicht mehr mobilisiert werden kann. Das heißt, das Virus vermehrt sich nicht selbständig und infiziert dann andere Zellen, was zu einer Verfälschung der Testergebnisse führen könnte.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß die Wildtyp-Adeno-assoziierten Viren gentechnisch nicht verändert sind oder verändert werden müssen und, daß daher keine Komplikationen mit dem Gentechnikgesetz zu befürchten sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich bei Säugern und bei Menschen eingesetzt werden, wobei die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Menschen, insbesondere bei der klinischen Forschung und bei der Therapie bevorzugt ist. Auch bei der Forschung mit Tiermodellen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren gut einsetzen.
Angewendet werden kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise bei Patienten, die nicht mit dem entsprechenden Subtyp der Adeno-assoziierten Viren infiziert sind. Sofern eine Infektion in einem Adeno-assoziierten Virusstamm vorliegt, kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein anderer Wildtyp-Stamm verwendet werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß ausreichende Unterschiede in den Nukleotidsequenzen vorliegen, so daß eine Unterscheidung zwischen dem zur Markierung eingesetzten Wildtypstamm und dem Stamm des Adeno-assoziierten Virus möglich ist, mit dem die zu untersuchenden Patienten infiziert sind.
Es hat sich herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Markierungsverfahren besonders geeignet ist, wenn es zur Markierung von mobilisierten Blutstammzellen verwendet wird.
Insbesondere bei Tumorerkrankungen können periphere Blutstammzellen durch Chemotherapie und eine anschließende Behandlung mit verschiedenen Wachstumsfaktoren mobilisiert und ex vivo expandiert werden. Dieses Verfahren ist beispielsweise beschrieben in Brugger et al., Blood, 1993, Vol. 81, S. 2579-2582.
Wenn also periphere Blutstammzellen ex vivo expandiert werden, können die hierbei gewonnenen Blutstammzellen mit dem Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus transduziert werden. Die Transduktion der zu infizierenden Blutstammzellen erfolgt in Zellkulturmedium, in bevorzugter Weise in Iscove′s Modified Dulbecco′s Medium. In bevorzugter Weise ist das Zellkulturmedium mit autologem Patientenplasma supplementiert. Weiterhin enthält das Zellkulturmedium in bevorzugter Weise Wachstumsfaktoren, wobei die rekombinant hergestellten Wachstumsfaktoren Interleukin-1, Interleukin- 3, Interleukin-6, Erythropoetin und Stammzellfaktor bevorzugt sind. Die Konzentrationen der einzelnen Wachstumsfaktoren liegen bei 50 bis 200 ng/ml, bevorzugt bei 100 ng/ml. Das Medium mit Zellen und Viren wird bei 37°C über sechs Stunden inkubiert. Das AAV liegt vor in einem Virusstock von verpackten AAV-Partikeln, die in Zellkulturen hergestellt wurden. Die Herstellung von AAV erfolgt nach allgemein bekannten Verfahren. Diese Partikel sind zur einmaligen Infektion der Zellen in der Lage. Da die Wildtypviren die genetische Information zur Mobilisierung der Viren nicht besitzen, ist eine weitere Infektion der markierten Zellen nach dem Transduktionsschritt nicht mehr möglich.
Um das erfindungsgemäße Verfahren auswerten zu können, müssen Nachweismethoden zur Verfügung gestellt werden, die Auskunft darüber geben, ob die zu untersuchende Zelle vor der Infektion mit Adeno-assoziiertem Virus infiziert war oder nicht. Weiterhin ist es zur Auswertung erforderlich, daß nach der Markierung der Zellen die markierten Zellen von den nicht markierten Zellen unterschieden werden können.
Eines der Nachweisverfahren ist die an sich wohlbekannte Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Zur Durchführung dieser PCR-Reaktion müssen geeignete Oligonukleotide synthetisiert werden, die als Primer für die PCR-Reaktion dienen. Die Sequenz der Oligonukleotidsequenzen kann anhand der im Journal of Virology (1983, Vol. 45, S. 555-564) offenbarten Nukleotidsequenz festgelegt werden. Üblicherweise wird man zur Durchführung der PCR-Reaktion solche Oligonukleotidsequenzen auswählen, die an den Enden der Genomsequenz des AAV lokalisiert sind.
Eine andere Möglichkeit stellt die in situ-Hybridisierung oder die Durchführung von Southern Blots dar. Bei den an sich bekannten Southern Blots (Southern-Analyse) werden elektrophoretisch aufgetrennte DNA-Fragmente auf spezielle Filter oder Membranen übertragen. Durch anschließende Hybridisierung mit homologen DNA-Sonden können Aussagen über Vorkommen, Kopiezahl, Größe und Nukleotidsequenz gemacht werden.
Zum Nachweis der Markierung von Zellen wird daher erfindungsgemäß die DNA aus den markierten Zellen isoliert, elektrophoretisch in einem Agarosegel aufgetrennt und die DNA wird durch Alkalibehandlung des Gels und anschließende Neutralisierung des Gels in Salzlösung denaturiert. Nun wird die DNA auf Nitrozellulose oder Nylonfilter übertragen und an den Filter gebunden. Diese Bindung wird dann durch Hitze (Einbacken) oder UV-Bestrahlung stabilisiert. Nach Prähybridisierung zur Absättigung von unspezifischen Bindungen und anschließendem Waschen werden die Filter mit einer markierten DNA-Sonde hybridisiert. Die DNA-Sonden können radioaktiv markiert sein oder auch andere Markierungen tragen. Für die markierten DNA-Sonden werden aus der bekannten DNA-Sequenz geeignete Bereiche ausgewählt und in bevorzugter Weise synthetisch hergestellt. Diese DNA- Sonden hybridisieren dann mit dem AAV-Genom, sofern dieses in die markierte Zelle integriert wurde. Wenn kein Hybridisierungssignal erhalten wird, ist die Zelle nicht markiert.
Wenn die expandierten peripheren Blutstammzellen erfolgreich retransplantiert wurden, kann der Nachweis der mit AAV markierten Zellen durch die beim erfolgreichen Angang des Transplantats von diesen Stammzellen gebildeten reifen peripheren Blutzellen verschiedener Zellinien nachgewiesen werden. In bevorzugter Weise erfolgt die Anfärbung von auf Objektträgern fixierten Einzelzellen gleichzeitig, einerseits durch "Fluorescent In Situ Hybridization" (FISH) für Teile des Genoms von AAV und andererseits mit Hilfe gefärbter Antikörper für zellinienspezifische Oberflächenmarker. Auf diese Weise können einerseits die untersuchenden Zellen identifiziert werden mit Hilfe der Antikörper für die zellinienspezifischen Oberflächenmarker und andererseits kann durch die Fluorescent In Situ Hybridization festgestellt werden, ob diese Zellen markiert sind oder nicht markiert sind.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Zellen, die mit Wildtyp-Adeno-assoziiertem Virus markiert sind, wobei diese Zellen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten werden können. In besonders bevorzugter Form handelt es sich bei diesen Zellen um menschliche periphere Blutstammzellen, die die Markierung mit Wildtyp-Adeno­ assoziiertem Virus tragen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch Testkits, die zum Nachweis des Adeno-assoziierten Virus in Zellen geeignet sind. Diese Testkits weisen Nukleotidsequenzen auf, die zu der DNA-Sequenz von Wildtyp-Adeno-assoziiertem Virus komplementär sind. Bei diesen Testkits kann es sich um Zusammenstellungen handeln, die zur Durchführung der an sich wohlbekannten Polymerase-Kettenreaktion geeignet sind und die als Primer Oligonukleotid-Sequenzen aufweisen, die spezifisch sind für AAV. Durch die Polymerase-Kettenreaktion kann dann nachgewiesen werden, ob sich AAV in den zu untersuchenden Zellen befindet oder nicht.
Ein weiteres Testkit kann eine Zusammenstellung betreffen, die zur in situ-Hybridisierung geeignet ist. Wesentlicher Bestandteil dieser Zusammensetzung ist dann eine markierte DNA-Sequenz, die zu der Sequenz von AAV komplementär ist.
Weiterhin kann es sich bei den erfindungsgemäßen Testkits um eine Zusammenstellung handeln, die zur Durchführung des an sich bekannten Southern Blots geeignet ist. Diese Zusammenstellung enthält eine DNA-Sequenz, die komplementär zur DNA-Sequenz von AAV ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Testkit die Reagenzien auf, die einerseits zur Fluorescent In Situ Hybridization für Teile des Genoms von AAV erforderlich sind und andererseits mit Farbe markierte Antikörper für zellinienspezifische Oberflächenmarker.
Darüber hinaus weisen die Zusammenstellungen diejenigen Komponenten auf, die zur Durchführung des jeweiligen Testverfahrens benötigt werden, wie Puffer, Enzyme etc.
Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß das Wildtyp-Adeno-assoziierte Virus gleichzeitig Vektor und Marker in einem ist. Man spart sich also den Schritt der Klonierung des Markers in den Vektor. Außerdem ist das erfindungsgemäß verwendete Wildtyp-Adeno-assoziierte Virus nachgewiesenermaßen apathogen. Vorteilhaft ist auch, daß sich das Wildtyp-Adeno-assoziierte Virus spezifisch an einer bekannten Stelle in das Chromosom 19 integriert und, daß daher keine "Random"-Mutagenese erfolgt oder, daß das Wildtyp-Adeno-assoziierte Virus kein tumorgenes Potential entfaltet, wie das beispielsweise bei den Retroviren der Fall ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß das AAV zellzyklusunhabhängig ist und mit sehr hoher Effizienz in die zu markierenden Zellen integriert. Da die zu markierenden Zellen keinen Behandlungsschritten ausgesetzt werden müssen, die den Stoffwechsel beeinträchtigen können, wie beispielsweise Bestrahlung, sind die Zellen in ihrer Leistungs- und Lebensfähigkeit nicht beeinträchtigt.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1 Infektion von peripheren Blutstammzellen (PBSC) mit Wildtyp- Adeno-assoziiertem Virus
Durch Leukapherese wurden humane CD 34⁺-angereicherte periphere Blutstammzellen gewonnen. Die gewünschten Zellen lagen in einer Konzentration von 1 × 10⁶ und in einer Reinheit von 50% vor. Die PBSC-Zellen wurden in 2 ml vorgewärmtem Expansionsmedium resuspendiert. Bei dem Expansionsmedium handelte es sich um Iscove′s Modified Dulbecco′s Medium, das angereichert war mit 2% autologem ACD-Plasma und je 100 ng/ml der Zytokine rhSCF, rhIL-1, rhIL-3, rhIL-6 und EPO. Nun wurden die Zellen mit AAV- Wildtyp-Virus-Stocks versetzt und für zwei Stunden bei 37°C im Wasserbad belassen, wobei mit 5% CO₂ in Luft begast wurde. Nach einer Inkubationsdauer von einer Stunde wurden die Zellen aufgeschüttelt. Schließlich wurde mit 10 ml Expansionsmedium aufgefüllt und anschließend zweimal mit Expansionsmedium gewaschen, wobei die Zellen bei 800 g für fünf Minuten abzentrifugiert wurden. Das Pellet wurde resuspendiert und die Zellzahl bestimmt. Als Kontrolle wurde ein Zytospin durchgeführt. Hierbei werden die Zellen nebeneinander auf Glasobjektträger aufgebracht, wobei sie gut angefärbt werden können.
Beispiel 2 Analyse der Virusintegration in pluripotente Blutstammzellen
Humane allogene Knochenmarks-Langzeitkulturen, die ein konfluentes Stroma aufweisen und 3-4 Wochen alt sind, werden in 10 ml Kulturflaschen mit 15 Gy Cs-gamma bestrahlt. Die Dosisrate beträgt 3-5 Gy/min.
Zunächst werden diese Zellen zweimal mit PBS gespült und dann mit je 5 × 10⁴ Zellen des Infektionsansatzes in Langzeitkulturmedium inokuliert. Bei dem Langzeitmedium handelt es sich um Iscove′s Modified Dulbecco′s Medium, das 10% FCS, 10% Pferdeserum und 5 × 10-7 M Hydrocortison enthält.
Jede Woche wird die Hälfte des Kulturmediums durch neues Medium ersetzt. Vom Überstand wird die Zellzahl bestimmt und eine Bestimmung der Anzahl der koloniebildenden Zellen erfolgt in 0,9% Methylcellulose, 20% FCS, 100 ng/ml rhIL-3 und 100 ng/ml rhGM-CSF.
Die Zellen des Überstandes werden auf Glasobjektträger nebeneinander aufgebracht, wodurch eine gute Anfärbbarkeit gewährleistet ist (Zytospin-Preps).
Die Analyse der Virusintegration erfolgt durch Southern Blot, wobei die DNA von 5 × 10⁵ bis 2 × 10⁶ Zellen isoliert wird. Diese DNA wird mit dem Restriktionsenzym Bgl II verdaut und elektrophoretisch aufgetrennt. Als Nachweissonde dient ein 1,8 kB langes Fragment aus dem Adeno-assoziierten Virus-rep-Gen, das mit den Restriktionsendonukleasen XbaI und XhoI ausgeschnitten werden kann.
Alternativ hierzu wird eine in situ-Hybridisierung der Zellen auf Objektträgern durchgeführt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Markierung von Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen mit Wildtyp-Adeno- assoziiertem Virus inkubiert werden und, daß dabei die Zellen von dem Virus infiziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Zellen um Säugerzellen handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Zellen um menschliche Zellen handelt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um periphere Blutzellen handelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wildtyp-Adeno-assoziierte Virus apathogen ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wildtyp-Adeno-assoziierte Virus in das Wirtsgenom integrieren kann, aber, daß es von dort nicht mehr mobilisiert werden kann.
7. Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Wildtyp- Adeno-assoziiertem Virus markiert ist.
8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie erhältlich ist nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6.
9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine periphere Blutstammzelle handelt.
10. Verwendung eines Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus zur Markierung von Zellen.
11. Testkit zum Nachweis des Wildtyp-Adeno-assoziierten Virus in Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Zusammenstellung zur Durchführung des Testes handelt, die wenigstens ein Nukleotidfragment enthält, das im wesentlichen komplementär ist zu einem Teil des Wildtyp- Adeno-assoziierten Virus-Genoms.
12. Testkit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Zusammenstellung zur Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion handelt, die Oligonukleotide mit einer Sequenz enthält, die spezifisch ist für Wildtyp-Adeno- assoziiertes Virus.
13. Testkit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Zusammenstellung zur in situ-Hybridisierung handelt, die zu der DNA-Sequenz von Wildtyp-Adeno- assoziiertem Virus komplementäre DNA-Sequenzen enthält.
14. Testkit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Zusammenstellung zur Durchführung des Southern Blots handelt, die eine zu der Nukleotid-Sequenz von Adeno-assoziiertem Virus komplementäre, markierte DNA- Sequenz oder mehrere derartige DNA-Sequenzen enthält.
15. Testkit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Zusammenstellung handelt, die einerseits mit Fluoreszenzfarbstoff markierte Nukleotidsequenzen enthält, die komplementär zum Genom von Wildtyp-Adeno-assoziiertem Virus sind und andererseits markierte Antikörper aufweist, die spezifisch sind für zellinienspezifische Oberflächenmarker.
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