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Etablierung und Optimierung eines neuartigen Papillomvirus-Tiermodells für pharmakologische Studien
(2001)
Papillomviren sind kleine nicht umhüllte DNA Viren, welche zu der Gruppe der Papovaviren gehören. Bis heute sind über 80 humanpathogene Papillomviren charakterisiert worden, welche spezifisch die Haut oder Schleimhaut infizieren und dort meist Benigne Tumore, wie z. B. vulgäre Warzen, Larynxpapillome oder genitale Warzen (Kondylome), induzieren. Bei langjähriger Persistenz des viralen Genoms und partieller Expression der viralen Gene können die Warzen jedoch maligne entarten und Karzinome bilden. Hurnane Papillomviren sind die am häufigsten sexuell übertragenen Infektionserreger, daher sind vor allem die malignen genitalen Turnore, wie das Zervixkarzinom, eine der häufigsten malignen Erkrankungen der Frau, mit 500.000 neuen Fällen jährlich weltweit, klinisch relevant. Derzeit wird zudem über eine mögliche Rolle der Papillomviren bei der Entstehung von Hautkrebs diskutiert. Der Vermehrungszyklus aller Papillomviren ist eng mit dem Differenzierungsgrad der infizierten Wirtszelle verknüpft. Die Replikation des viralen Genoms und die Synthese der Kapsidproteine findet bevorzugt in den terminal differenzierten Schichten des Epithels statt. Daher enllöglicht die Monolayer-Zellkultur keine Vermehrung von PV und erlaubt lediglich die Untersuchung begrenzter Ausschnitte im viralen Lebenszyklus. Dieser Umstand erschwert die Analyse später viraler Funktionen und ist auch eine Ursache dafiir, dass bis heute noch keine antiviral wirksame Therapie gegen Papillomviren existiert, ebenso wenig wie ein Impfstoff. Die Behandlung von Warzen beschränkt sich auf physikalische Methoden wie chirurgische Entfernung oder den Einsatz von Kryotherapie oder CO2-Laser, ohne dabei die virale DNA vollständig zu eliminieren. Zusätzlich werden fiir die Behandlung von HPV-Läsionen auch Substanzen mit immunmodulierenden Eigenschaften, wie z. B. Interferone und Imiquimod (Aldara TM), eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Xenograft-Maus-Modell, das SCID-Bo-Modell, etabliert, bei welchem mit Bovinem Papillomvirus Typ 2 (BPV2) infizierte Kälberskrotalhaut auf den Rücken von SCID-Mäusen transplantiert wurde. Dieses Modell kann sowohl der Identifizierung von PV -inhibierenden Substanzen dienen als auch der Untersuchung des viralen Replikationszyklusses. Fünf Monate nach der Infektion bildeten sich Fibropapillome, welche die typische histologische Merkmale einer Papillomvirusinfektion (Akanthose, Papillomatose, Hyperkeratose, Koilocytose und Parakeratose) aufwiesen. Durch den Nachweis von Kapsidproteinen und der Produktion von infektiösen Viruspartikeln konnte zudem gezeigt werden, dass sich die im SCID-Bo-Modell induzierten Tumore nicht von natürlich vorkommenden Rinderwarzen unterschieden. Im Gegensatz zur nativen BPV2-DNA führte die Transfektion von einer gleich großen Menge an rekombinanter BPV2-DNA nur zu der Etablierung einer abortiven Infektion, bei welcher ausschließlich die friihen viralen Gene transkribiert und somit keine Viren produziert wurden. Diese Turnore zeigten außerdem nur einige schwach ausgeprägte morphologische Veränderungen der Epidermis und keine Proliferation der Dermis. Die Tumorbildung mittels rekombinanter virale DNA konnte weder durch die Verwendung eines Transfektions-Reagenzes noch durch die Erhöhung der Input-DNA entscheidend verbessert werden. Das E2-Protein ist das wichtigste Regulatorprotein der Papillomviren. Es ist nicht nur für die Replikation essentiell, sondern es reguliert auch die virale Transkription. Dennoch ist die Funktionen der einzelnen E2-Bindungsstellen (E2BS), welche in mehreren Kopien über das virale Genom verteilt sind, weitgehend unbekannt. Zwei in der nicht kodierenden Region liegende E2BS, E2BSS und E2BS8 wurden mutiert und in Zellkultur sowie im SCID-Bo-Modell getestet. Es konnten jedoch weder in C127-Zellen noch im Tiermodell Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutanten in Hinblick auf die untersuchten Merkmale festgestellt werden. Auch in diesem Versuchsansatz konnte durch die Transfektion der rekombinanten viralen DNA nur eine abortive Virusinfektion etabliert werden. Das SCID-Bo-Modell eignet sich daher nur bedingt für genetische Studien mit in Bakterien synthetisierter Papillomvirus-DNA, da in dem bestehenden Modell nur die Auswirkungen auf frühe Ereignisse der Infektion untersucht werden können. Restriktionsanalysen mit den methylierungssensitiven Euzymen Hpall/Mspl und Hhal ergaben, dass die Unterschiede in der Tumorbildung bei Verwendung von rekombinanter und nativer DNA wahrscheinlich auf ein unterschiedliches Methylierungsmuster der CpG-Motive in den BPV2-Genomen zurückzuführen sind. Diese Annahme wird durch die Beobachtung gestützt, dass auch in Cl27-Zellen passagierte rekombinante BPV2-DNA nur zu der Induktion von Tumoren führt, welche keine Fibrombildung zeigten. Das hier auf Grundlage des Xenograft-Maus-Modells etablierte Tiermodellsystem ermöglicht die Untersuchung des viralen Replikationszyklus und die Produktion von Viren. Außerdem bietet das SCID-Bo-Model wegen seiner hohen Reproduzierbarkeit die idealen Bedingungen für die Identifikation antiviraler Substanzen. Für die Untersuchung von Virusmutanten eignet sich dieses Modellsystem jedoch nur bedingt. Weitere Versuche mit dem Ziel, die Tumorinduktion durch rekombinante DNA zu optimieren, und die Aufklärung der Gen-Regulation sind notwendig, um genetische Studien auch im Tiermodell durchführen zu können.
Die vorliegende Arbeit gliederte sich in 3 Teilbereiche. Der erste Teilbereich beschäftigte sich mit der antiviralen in vitro Wirkung von EDDS (Ethylendiamindinbernsteinsäure), sowie mit der Wirkung von EDDS, DTPA (Diethylentriaminpentaessigsäure) und DFO (Desferrioxamin) im Tiermodell. EDDS zeigte in vitro eine vielversprechende Wirkung gegenüber verschiedenen HCMV Stämmen. Hierunter befanden sich GCV und HPMPCresistente Stämme. Dies ist von großer Bedeutung für die Entwicklung neuer Wirkstoffe, da die Therapie von HCMVbedingten Erkrankungen mit hohen Nebenwirkungen verbunden ist und zudem durch vermehrtes Auftreten von Resistenzen gegenüber den etablierten Therapeutika GCV, HPMPC und Foscarnet erschwert wird. Die invitroDaten legen einen ähnlichen antiviralen Wirkmechanismus des EDDS verglichen mit DTPA nahe. Diese Ähnlichkeit wird durch die enge strukturelle Verwandschaft der Stoffe noch unterstrichen. Im Mausmodell zeigte jedoch keiner der 3 untersuchten Chelatoren eine erfolgversprechende protektive Wirkung gegenüber MCMVInfektionen. Damit wurden vorangegangene Untersuchungen im Rattenmodell bestätigt. Trotz vielversprechender anderslautender Ergebnisse, die auf eine invivoWirkung von DFO gegenüber CMVInfektionen hinwiesen, scheint damit der Einsatz der Chelatoren aufgrund ihrer sehr kurzen Halbwertszeit im Körper stark limitiert. Der zweite Teil der Dissertation befaßt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von peptidischen Wirkstoffträgersystemen für DTPA. Hierbei ließen sich reproduzierbar lösliche HSADTPA und GelBDTPAKonjugate, sowie HSADTPA und GelBDTPANP herstellen. Die antivirale und die antitumorale Wirkung dieser Konjugate wurde in vitro untersucht. Da für die antitumorale Wirkung von DTPA bisher keine Daten vorlagen, wurde zunächst die Cytotoxizität in einer NBZellinie und in 3 BrustkrebsZellinien bestimmt. Als Vergleich dienten HFF. Es zeigte sich, daß DTPA in unterschiedlichen Konzentrationen gegenüber den untersuchten Zellinien cytotoxisch war, eine Tumorspezifität konnte jedoch nicht festgestellt werden. Die Cytotoxizität und die antivirale Wirkung des DTPA wurden in vitro durch Bindung an die unterschiedlichen peptidischen Trägersysteme deutlich erhöht. Dies führte jedoch nicht zu einer Erhöhung der therapeutischen Breite, da HFF in gleichem Maße stärker geschädigt wurden. Trotzdem bieten die Trägersystem Zubereitungen im Hinblick auf eine invivoAnwendung einige Vorteile. Es könnten geringere Mengen DTPA eingesetzt werden, was eine verringerte Ausschwemmung von Metallionen zur Folge hätte. Neben einer verlängerten Zirkulationszeit im Organismus könnte die veränderte Körperverteilung zu Verbesserungen führen. Im Falle der antitumoralen Anwendung wäre dies eine Anreicherung im Tumor aufgrund des EPREffektes. Für die antivirale Anwendung wären die Anreicherung in entzündeten Geweben, sowie die Anreicherung in Monozyten und Makrophagen von großem Interesse, da diesen Zellen ein entscheidender Anteil an dem durch CMV verursachten Multiorganbefall zugerechnet wird. Trotzdem bedarf der invivoEinsatz einer eingehenden Evaluierung und erscheint aufgrund der geringen therapeutische Breite insbesondere im Hinblick auf die Therapie von Tumoren stark eingeschränkt. Bezüglich des cytotoxischen Mechanismus weist die Wirkung der DTPAKonjugate darauf hin, daß DTPA den Zellzyklus und die Virusreplikation durch Wechselwirkung mit der Zellmembran und dadurch Veränderung der Signaltransduktion beeinflußt. Da eine geringere DTPAMenge größere Effekte verursacht, erscheint es unwahrscheinlich, daß die Komplexierung von Metallionen für die Wirkungen verantwortlich war. Im dritten Teil dieser Dissertation wurde eine PLANPTrägersystem für das antitumoral wirksame Enzym BSRNase entwickelt. BSRNase zeigte in vitro und bei intratumoraler Applikation sehr vielversprechende, selektive antitumorale Effekte gegenüber proliferierenden und ruhenden Tumorzellen. Die systemische Applikation war jedoch nicht erfolgreich. Dieses Scheitern wurde auf hohe Antigenität, kurze Halbwertszeit der Substanz im Körper und auf eine ungenügende Körperverteilung zurückgeführt. NP sind geeignet die Zirkulation im Körper zu verlängern und reichern sich in Tumoren aufgrund des EPREffektes an. PLANP wurden ausgewählt, da sie BSRNase in ausreichendem Maß binden und da PLA ein bioabbaubares und bioverträgliches Material ist. In vitro unterschied sich die nanopartikuläre Zubereitung bei der Wirkung gegenüber normalen, Lymphom und Leukämiezellen nicht. Beide BSRNaseZubereitungen induzierten Apoptose in parentalen und chemoresistenten Krebszellen. Normale Zellen wurden nicht in ihrer Viabilität beeinträchtigt. Die aspermatogenen und antiembryonalen Wirkungen von BSRNaseZubereitungen weisen auf ihre antitumoralen Eigenschaften hin. In diesen beiden Testsystemen übertraf die nanopartikuläre Zubereitung die Wirkung der BSRNaseLösung. InvivoVersuche müssen nun den tatsächlichen Stellenwert der BSRNasePLANP zeigen.
Einen vielversprechenden Ansatz auf dem Gebiet der Entwicklung kolloidaler Arzneiträgersysteme stellen die proteinbasierten Nanopartikel dar, da sie biodegradierbar und nicht toxisch sind und eine Reihe möglicher Angriffspunkte zur kovalenten Bindung von Arzneistoffen und zur Oberflächenmodifikation aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Herstellungsprozeß von HSANanopartikeln und sein Einfluß auf die physikochemischen Eigenschaften des resultierenden Partikelsystems evaluiert. Durch Oberflächenmodifikation wurde eine Kopplung von Proteinen mittels bifunktionaler Crosslinker ermöglicht und die zelladhäsiven Eigenschaften des Trägersystems vermindert. Durch Kopplung funktioneller Proteine wurden die ersten Schritte in Richtung eines ligandenvermittelten DrugTargetings unternommen. Evaluierung des Herstellungsprozesses und Charakterisierung des resultierenden partikulären Systems Die Evaluierung des Desolvatationsprozesses von HSANanopartikeln ergab eine Abhängigkeit der Partikelgröße und der Partikelanzahl vom zugesetzten Desolvatationsmittel Ethanol. Die Quervernetzung des resultierenden Systems beeinflußte die Anzahl der freien Aminogruppen an der Partikeloberfläche: Je mehr Glutaraldehyd zugesetzt wurde, desto weniger Aminogruppen waren nachweisbar. Die Härtung der Partikel durch Einwirkung hoher Temperaturen führte ebenfalls zu stabilen Partikeln. Die Anzahl der verfügbaren Aminogruppen lag im Vergleich zu den Glutaraldeydquervernetzten höher. Die Art und das Ausmaß der Quervernetzung hatten keinerlei Einfluß auf die mittlere Partikelgröße. Das Zetapotential dagegen zeigte eine Tendenz, mit steigender Quervernetzung negativer zu werden. Ein Vergleich dieser Ergebnisse mit den Aminogruppen an der Oberfläche von GelatineA und BNanopartikeln verdeutlichte, daß HSANanopartikel signifikant mehr freie Aminogruppen an der Partikeloberfläche, und damit mehr Angriffspunkte zur kovalenten Kopplung und Oberflächenmodifikation aufweisen, als GelatineNanopartikel, wobei Gelatine ANanopartikel mehr als doppelt so viele Aminogruppen an der Oberfläche besitzen als Gelatine BPartikel. Die höchsten Aminogruppenzahlen zeigten die hitzedenaturierten HSANanopartikel. Einführung von Sulfhydrylgruppen an die Partikeloberfläche Im Rahmen dieser Arbeit wurden sechs Methoden zur Einführung von Thiolgruppen auf die Oberfläche von HSANanopartikeln evaluiert. Die effektivste Methode ergab sich aus der Kopplung von Cystamin mit dem Kopplungsreagenz EDC, gefolgt von einer reduktiven Spaltung der Cystamindisulfidbindungen und der Disulfidbrücken der HSAPartikelmatrix mit DTT. Bedauerlicherweise zeigte diese Partikelpräparation die höchste Toxizität der untersuchten Zubereitungen in der Zellkultur. Die Kopplung von LCystein mit EDC war aufgrund unerwünschter Nebenreaktionen wesentlich weniger effektiv. Die einfachste Art, Thiolgruppen einzuführen, war die reduktive Spaltung der Disulfidbrücken der HSAPartikelmatrix mit DTT. Doch Bindungsexperimente zeigten, daß diese Thiolgruppen zwar mit Ellmans Reagenz nachweisbar waren, aber zu Bindungszwecken wahrscheinlich aus sterischen Gründen nur in untergeordnetem Maße zur Verfügung standen. Die Verwendung von 2Iminothiolan (Trauts Reagenz) war eine im Vergleich zur Cystamin/EDCMethode einfache und leicht zu handhabende Methode zur Einführung von SHGruppen, allerdings mit relativ geringer Effizienz. Das Quenchen freier Glutaraldehydreste an der Partikeloberfläche mit Cystamin führte zu einem sehr niedrigen SHGruppengehalt, mit LCystein waren so gut wie keine Thiolgruppen nach der Umsetzung nachweisbar. Die SHGruppen wurden bei einer Lagerung bei 4°C mit einer Halbwertszeit von 28,2 Tagen abgebaut, unabhängig von der Art der SHGruppeneinführung. Die Reaktivität der SHGruppen dagegen nahm wesentlich schneller ab als ihre Nachweisbarkeit: Bereits am dritten Tag nach der SHGruppeneinführung lag die Bindungsrate von mit SHreaktiven Crosslinkern aktivierten Proteinen um 2030 % niedriger, verglichen mit dem ersten Tag. Durch Veränderung der Reaktionsparameter konnte bei allen Methoden die Anzahl der eingeführten Thiolgruppen kontrolliert werden. Durch die Einführung der SHGruppen zeigten die Nanopartikel eine deutlich höhere Mukoadhäsion. Oberflächenmodifikationen Das Ziel der Oberflächenmodifikation der HSANanopartikel war zum einen eine Positivierung des Zetapotentials, um die Bindung negativ geladener Arzneistoffe wie DNA über elektrostatische Wechselwirkungen zu ermöglichen. Die Umsetzung der Partikel mit EDC allein oder mit EDC und Cystamin bzw. Cholamin führte zu einer deutlichen Verschiebung des Zetapotentials in den positiven Bereich. Durch Veränderung der Cholamin bzw. Cystaminkonzentration war die Verschiebung des Zetapotentials steuerbar. Gleiches galt für die Umsetzung der Gelatine APartikel, allerdings waren hier deutlich geringere Konzentrationen zur Erlangung der gleichen positiven Zetapotentiale notwendig. Zum anderen sollte durch die Modifikation der Partikeloberfläche ein verändertes Verhalten hinsichtlich der Zelladhäsion der Partikel erzielt werden. Es zeigte sich eine verstärkte Zelladhäsion nach der Einführung weiterer Aminogruppen und nach der Einführung lipophiler Gruppen. Eine verminderte Zelladhäsion wurde durch eine Maskierung der Aminogruppen erreicht. Die besten Ergebnisse erbrachte hierbei die Umsetzung der HSANanopartikel mit Jodessigsäure. Bindung funktioneller Proteine Um zu überprüfen, ob funktionelle Proteine an das evaluierte Trägersystem unter Erhalt der Funktionalität gebunden werden können, wurden zunächst Enzyme über den bifunktionalen Crosslinker SulfoMBS kovalent gekoppelt. Analysen der Bindungsrate und der tatsächlichen enzymatischen Aktivität differierten zwar, doch ist dies wohl auf eine noch nicht hinreichend optimierte Analytik zurückzuführen. Eine enzymatische Aktivität der alkalischen Phosphatase und der bGalaktosidase war nach der Bindung an das Trägersystem eindeutig nachweisbar. Als weiteres funktionelles Protein wurde das Avidinderivat NeutrAvidin(TM) gewählt und mit SulfoMBS an Gelatine ANanopartikel gekoppelt. Durch die Bindung biotinylierter Antikörper konnte der Erhalt der Funktionalität des gebunden NeutrAvidins(TM) gezeigt werden. Die Konjugation eines biotinylierten, humanen CD3 Antikörpers an das NeutrAvidin(TM)konjugierte Partikelsystem führte zu einer selektiven Bindung des Trägersystems an primäre humane Lymphozyten. Auch eine Aufnahme des Trägersystems in die Zellen konnte gezeigt werden. Die Experimente zum Antikörpervermittelten Targeting konnten mit HSANanopartikeln nicht reproduziert werden, da HSAPartikel eine so starke Zelladhäsion zeigten, daß ein Targeting aufgrund des Antikörpers nicht mehr ersichtlich war. Erste Versuche mit oberflächenmodifizierten HSAPräparationen, wie beispielsweise einer Jodessigsäure Umsetzung, führten zu einer deutlich verminderten Zelladhäsion. Weitergehende Experimente zur Evaluierung dieses Effektes sind für die Weiterentwicklung dieses Trägersystems entscheidend.