专利名称:肺炎链球菌抗原的制作方法图1显示了从细胞壁物质中提取的蛋白质的12%SDS PAGE凝胶的照片,所述的细胞壁物质用1M的1.乙酸铵溶液、2.氯化铵溶液、3.三甲基氯化铵溶液或4.Tris-HCl(pH6.8)溶液进行过处理。图2用本发明中所用的蛋白质纯化过程的图解概述来表示的流程图。图3肺炎链球菌细胞壁提取物的电洗脱分布图,用SDS-PAGE进行分析。泳道1用SDS-PAGE分离的粗品提取物的考马斯染色;泳道3分子量标准泳道2以及4-11通过电洗脱回收的蛋白质。图4阴离子交换层析的分布图。图5显示了分子量为14、16、34以及57kDa的纯化肺炎链球菌蛋白质。图6是显示在用16kDa的肺炎链球菌蛋白质接种后的肺清除的直方图。图7是显示在用34kDa的肺炎链球菌蛋白质接种后的肺清除的直方图。
图8是显示在用57kDa的肺炎链球菌蛋白质接种后的肺清除的直方图。
实施例1从肺炎链球菌菌株中分离抗原性或免疫原性蛋白质从肺炎链球菌NCTC 7466(血清型2)的胞外被膜中分离出这里所鉴定的蛋白质。在不振摇的情况下,于37℃下,使该菌株在含有10%马血以及0.5%葡萄糖的Bacto Tryptic Soy Broth中生长过夜至静止期。然后,将10ml过夜培养物接种到500ml含有0.5%葡萄糖但不含血的细菌培养用胰胨大豆肉汤(Bacto Tryptic Soy Broth)中,并且在不振摇的情况下,于37℃下培养过夜。通过3000rpm(1100g)下离心25min回收完整的细胞然后再悬浮于40ml 50mM的Tris马来酸盐pH6.8中,向其中加入蛋白酶抑制剂。将压力设置在40Kpsi,在Constant Systems细胞破裂器(型号为22/40/AA/AA)中使细菌破裂。在4℃下用2600rpm(1100g)的转速将细胞的匀浆离心10min,除去完整的细胞。然后在4℃、15,000rpm(27000g)的转速下离心上清液使细菌细胞壁成小丸。然后通过离心作用将细胞小丸在10ml含有蛋白酶抑制剂的50mM的Tris马来酸盐pH6.8中洗涤两次。最后使细胞小丸与含有不同化合物的同样缓冲液进行混合,来测定那一种蛋白质将从细胞壁物质中释放出来。离心后,从细胞壁物质中提取的蛋白质存在于上清液中。用SDS-PAGE分析从细胞壁物质中提取的蛋白质。图1的照片显示了从细胞壁物质中提取的蛋白质的12%SDS PAGE凝胶,所述的细胞壁物质用1M的乙酸铵溶液、氯化铵溶液、三甲基氯化铵溶液或Tris-HCl溶液(pH6.8)进行过处理。
采用centricon 10旋转滤器浓缩提取的蛋白质,并采用各种不同浓度的丙烯酰胺借助SDS PAGE对其进行分离。然后将分离的蛋白质转移至用于分离和N-终端测序的硝基纤维素膜上。
根据Applied Biosystems方案进行N-终端的测序。然而,根据Matsudaira在J.Biol.Chem.26210035-10038(1997)中所述的方法,技术人员也可以进行这样的测序。实施例2动物研究进行了一项比较试验,以观察如上制备的蛋白质混合物保护小鼠抵抗肺炎球菌攻击的能力。研究中还包括不同的佐剂。对鼻内攻击的抗体水平和存活率进行了评价。
接种方案在第1周对7周大的雌性CBA/Ca小鼠进行接种,对弗氏和Titremax佐剂而言,在第5周进行加强,对于Ribi而言,在第4周进行加强,第8周用肺炎球菌进行鼻内攻击。在每次接种时,经皮下给予20μg的剂量。从颈背处经皮下给予弗氏完全佐剂+蛋白质混合物和Titremax+蛋白质混合物,并经皮下从腹部给予Ribi+蛋白质混合物。采血在第2,4和6周时采血用于进行抗体滴度的比较。肺炎球菌攻击按照以下方法制备4型肺炎链球菌的标准接种物通过小鼠使肺炎球菌1x的培养物传代,从被感染的动物血中收集所述的培养物,在冻存前使之生长达到109cfu/ml左右预定的活菌计数。可按下列流程图来进行制备划线培养肺炎球菌和证实鉴定↓使来自上述平板上的4-5个菌落的过夜培养物生长↓动物传代培养肺炎球菌(腹膜内注射心脏采血以收集)↓使来自动物传代的肺炎球菌的过夜培养物生长↓使来自动物传代过夜和在-70℃下-这是标准的最低限度冻存的日培养物生长(至预定的光密度)↓融化标准接种物的一份等分试样至活菌计数↓利用标准接种物确定有效剂量(称为毒力试验)↓所有随后的攻击-利用稀释到有效剂量的标准接种物在PBS中将标准接种物的等分试样稀释500倍,并对小鼠进行接种。
用卤代烷使小鼠轻微麻醉,然后将剂量为50μl的1.4×105cfu/ml肺炎球菌施用于每只小鼠的鼻腔。通过小鼠的正常呼吸使摄入更为方便,使小鼠仰卧让其恢复。
在感染过程中,于设定的间隔记录小鼠的症状。结果存活数据通过24小时对照,未接种的小鼠显示出感染迹象,它们的平均存活时间为49.2小时。弗氏佐剂+蛋白质的平均存活时间为124.5小时,Ribi+蛋白质以及Titremax+蛋白质平均存活时间为168小时。在弗氏佐剂组的6只中有2只存活,Ribi组的6只中有4只存活,Titremax组的6只全部存活。
弗氏佐剂+蛋白质以及Ribi+蛋白质组中的小鼠没有生病,与未接种的对照小鼠比较,发病有所拖延。抗体滴度利用ELISA在佐剂组之间进行了免疫反应评价。对于弗氏佐剂组来说,平均滴度为199024,在第二和第三次采血时为722119。对于Ribi组来说,平均滴度为16674,在第二和第三次采血时为1474354。对于Titremax组来说,平均滴度为138455,在第二和第三次采血时为705486。实施例2-抗原的分离和纯化细菌用血清组3肺炎链球菌(ATCC 49619)来获得本研究中所调查的抗原,并将其用于动物研究中同源性细菌的攻击。使细菌菌株在37℃并和5%CO2下在血液琼脂上生长过夜,或在37℃下于震荡培养箱中,在胰胨大豆肉汤(Oxoid Ltd,Basingstoke,Hampshire,UK)中培养过夜。蛋白质纯化细胞壁蛋白质的提取无菌地,将一满环的肺炎链球菌接种到10ml无菌胰胨大豆肉汤中,并在37℃的震荡培养箱中培养过夜。使2×5mL的等分试样在2×500mL体积的无菌胰胨大豆肉汤中进行传代培养,并在37℃的震荡培养箱中培养过夜。无菌地,将一环细菌悬浮液从每一个培养物中移出,在血琼脂上划线并在37℃下在CO2中培养过夜,作为生长和污染物的检查。
在4℃下,用Beckman J-2TM离心机使细菌培养物在18000×g的转速下离心20min。通过离心用磷酸缓冲盐水(PBS)将小丸洗涤两次,然后将小丸再悬浮于10mLPBS和200μl 10%(w/v)脱氧胆酸钠中,室温下搅拌1小时。4℃下,使悬浮液在27000×g的转速下离心15min,回收上清夜,搅拌下逐渐加入硫酸铵至最终浓度达到70%(w/v)。4℃下,使悬浮液在27000×g的转速下离心15min,将小丸再溶于10mL 10mM磷酸钠(pH7.0)中。4℃下,针对于3×1L 10mM磷酸钠(pH7.0)的更换透析再悬浮的小丸,更换之间最少留出2小时。4℃下,使透析蛋白质悬浮液在15000rpm下离心20min,保存上清夜,进行蛋白质测定。经冷冻干燥浓缩蛋白质悬浮液,进行十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)分析。SDS-PAGE根据蛋白质的分子量,采用Protean II ixi槽TM(Bio-Rad)来分离蛋白质。从30%(w/v)丙烯酰胺/BIS(N,N’-亚甲基双丙烯酰胺)Tris缓冲液的储备溶液来制备由12%(w/v)丙烯酰胺/BIS分离凝胶和4%(w/v)丙烯酰胺/BIS积层(上部)凝胶组成的非连续凝胶。用过硫酸铵和TEMED使聚丙烯酰胺凝胶进行聚合。将冷冻干燥的蛋白质提取物1∶1(v/v)悬浮于样品缓冲液(0.5M Tris HCl pH 6.8;10%(v/v)甘油;10%(w/v)SDS;0.05%(w/v)溴酚蓝;0.05%(v/v)β-巯基乙醇)中,煮沸5min,然后将大约1mL此溶液装载到凝胶的顶部。在每凝胶16mA的恒定电流下进行电泳,直至染料前沿通过堆积处(stacker),然后将电流加大至24mA,通过拆解凝胶进行电泳。平均的泳动时间为4-5小时。在200V和0.2mA的最大电流下,采用BIORADTM平床电洗脱器电洗脱1小时,将分离的蛋白质回收到30根单独的管子中。用分析SDS-PAGE以及Coomassie或Silver蛋白质染色测定回收级分中的蛋白质组成。在200V的恒定电压下,采用Mini-protean IITM槽(Bio-Rad)进行约45min分析SDS-PAGE。采用Pierce Micro BCATM蛋白质测定法并与白蛋白标准比较来测定蛋白质的浓度。从纯化的蛋白质中除去SDS每1mL含有SDS的样品用200μl体积的100mM磷酸钾进行处理,然后将其置于冰上60min。4℃下,使样品在微量离心机中于10000×g的转速下离心20min。回收上清液,经对纳纯水过夜透析脱盐。液相层析分离阴离子交换液相层析另外用阴离子交换层析纯化提取的蛋白质,并根据它们分子电荷的相互作用进行分离。在1mL/min的流速下,用低盐缓冲液(20mATris-HCl pH8.45)平衡柱子(Q5柱,Bio-Rad)10min。将冻干的细胞壁提取物再悬浮于同样的缓冲液中,达到浓度为5mg/mL,然后装载到柱子上。通过逐渐增加通过柱子的20mM Tris-HCl,500mM氯化钠,pH8.6的比例来利用增加的盐梯度洗脱蛋白质。回收组分,冻干并用分析SDS-PAGE进行测定。将来自多个实验的组分进行混合,通过制备SDS-PAGE以及前述的电洗脱进一步纯化蛋白质。结果上述方法成功地纯化了具有不同分子量的10种蛋白质,在下列实施例4中所述的动物免疫研究中能够对其进行评价。所纯化的最具活性的蛋白质具有的分子量为12-14 kDa,16 kDa,34 kDa和57 kDa。总共,分离出23种不同的蛋白质,其产率范围为20-500μg/6L培养物,细胞壁提取物的总蛋白质浓度范围为25-30mg。图2显示了细胞壁提取物以及粗品蛋白质提取物经电洗脱后分离出来的不同蛋白质的分布图。并不是所有蛋白质都是作为单一蛋白质条带从凝胶中洗脱出来的;一些级分由2-3种不同的蛋白质组成。采用阴离子交换层析进行的细胞壁蛋白质的洗脱分布3中显示了阴离子交换层析的洗脱分布图。第一个峰代表未结合蛋白质的洗脱,随后的两个主要峰含有用增加的盐浓度洗脱的大多数蛋白质。用SDS-PAGE对这些峰中的蛋白质进行进一步的纯化。实施例3-N-末端序列分析从来自分析SDS-PAGE的切除条带中测定蛋白质的N-末端序列。用Biomolecular Resource Unit,The John Curtin School of MedicalScience(Australian Capital Territory,Australia)进行分析。
表1-纯化蛋白质的氨基酸序列分析结果
为了帮助蛋白质定性,通过GenBank数据库对从部分氨基酸序列获得的信息进行检索以确定其与已知蛋白质序列的同源性。结果发现12-14kDa的蛋白质与来自肺炎链球菌的12kDa蛋白质具有100%的序列同源性。34kDa蛋白质与来自枯草芽孢杆菌的蛋白质具有78%的序列同源性。从对两种蛋白质有限的调查假设它们是核糖体蛋白质,但这有待进一步证实。
根据Koberg等人(Microbiology,143(1),55-61(Jan 1997))的研究,抵抗肺炎链球菌的两种单克隆抗体与真细菌的L7/L12核糖体蛋白质上高度保守的表位进行反应。在代表27个不同种的66种真细菌中发现了高度的氨基酸序列同源性。我们的大约12-14kDa蛋白质与来自Kolberg等人研究中的12kDa蛋白质具有100%的序列匹配。由于假设这种蛋白质具有毒性,并在物种、甚至是革兰氏阴性细菌间是保守的,因此人们对于进行进一步的研究以鉴定蛋白质并确定其在与此有机体有关疾病的毒力方面所涉及到的情况具有很大兴趣。
34kDa蛋白质似乎为肺炎链球菌的新颖蛋白质,因为最接近的匹配为与枯草芽孢杆菌核糖体蛋白质S6 78%匹配。核糖体蛋白质S6具有启动细胞周期中染色体复制的作用(Moriya等人,Nucleic Acids Res.13,2251-2265(1985))。同源性匹配揭示了此蛋白质在物种间的保守性程度。实施例4-小鼠肺清除模型动物将6-10周龄的Balb/c小鼠圈养并保持在不含致病菌的环境中,随意摄取无菌的食物和水。
活细菌的制备在37℃和5%CO2下,使细菌在血琼脂平板上生长过夜。收集细菌,室温下通过在10000×g的转速下离心将上述细菌在无菌PBS中洗涤两次。由在405nm处的光密度确定细菌的浓度,并从回归曲线计算。通过滴定和过夜培养证实活菌计数浓度的准确度。免疫方案在第0天,通过Peyer’s贴片接种使小鼠开始免疫,14天后经气管内给药进行加强。第21天时,用活的肺炎链球菌攻击这些小鼠。Peyer’s贴片免疫通过皮下注射0.25mL氯胺酮/甲苯噻嗪(剂量为5mg/ml盐酸氯胺酮;2mg/ml盐酸甲苯噻嗪)使小鼠镇静。通过中部(mid-line)腹部切口暴露出小肠,蛋白质经浆膜下层注射到每一个Peyer’s贴片中。按照与不完全弗氏佐剂成1∶1的比例,通过乳化2.5μg/μl蛋白质来制备免疫蛋白质(Sigma Immunochemicals,St Louis,MI,USA),给予每只动物总浓度为10μg的蛋白质。小鼠的气管内接种第14天时,小鼠接受气管内加强。按每Kg体重20mg二羟孕烷二酮-21-醋酸酯-羟-5α-孕烷二酮复合剂经静脉注射使小鼠镇静。使用22.1/2G的导管将总体积为20μL的溶于PBS中的10μg蛋白质经气管送入肺中。肺攻击第21天时,使小鼠接受活菌攻击。用上述的二羟孕烷二酮-21-醋酸酯-羟-5α-孕烷二酮复合剂使小鼠镇静,就气管内加强而言,是将处于20μL活肺炎链球菌中的1×107CFU的接种物经气管引入肺中。攻击5小时后,经腹膜内注射0.2mL的戊巴比妥钠使小鼠安乐死。
通过心脏穿刺采血,分析前将分离的血清储存于-20℃下。暴露气管,通过加入和除去0.5ml的无菌PBS灌洗肺部。通过将10倍的系列稀释液平铺到用于CFU测定的血琼脂上,测定回收液(BAL)中的细菌回收率。移出等分试样用于制备Cytospin载玻片,染色并进行细胞分类计数。4℃下,使BAL在1000rpm的转速下离心10min,将上清液储存于-20℃下直至需要使用为止。将小丸再悬浮于PBS和亚甲兰中,对BAL中的白细胞总数进行计数。灌洗后移出肺,置于2mL无菌PBS中并进行匀浆。将10倍的系列稀释液平铺到用于CFU测定的血琼脂上,进行肺匀浆测定。结果的表示仅对于蛋白质,其显示了显著程度的肺部的肺清除率。结果在免疫和细菌攻击中测定的三种蛋白质均显示了显著程度的肺部肺清除率。这些是分子量为16,34和57kDa的蛋白质,它们在上述表1中得到鉴定。下列表2中显示了细菌清除率以及与在同样时间遭受攻击的非免疫小鼠的回收率比较的结果,并在图5-7中以图示的方式进行了表达。第4种具有显著性的蛋白质是12-14kDa。在三个单独的免疫研究中且每项研究均使用新鲜分离的蛋白质的情况下,免疫对小鼠是致死性的,大多数动物未能从麻醉中恢复过来。17只小鼠中的13只在3个实验过程中死亡,最多只有2只在任何给定的实验中存活。这种蛋白质作为一种毒素和潜在的肺炎链球菌的毒力组分而使人感兴趣。对毒性组分的鉴定以及蛋白质的脱毒可以产生高度有效验的抗原。由于这种蛋白质存在于许多细菌中,以前曾通过单克隆抗体测定进行过鉴定(参见上文)。然而,文献中没有证据表明其已作为疫苗抗原得到测试。
表2-在用纯化蛋白质免疫后的肺清除率
本发明提供了来自肺炎链球菌的各种新颖的抗原及其同系物、衍生物和片段。描述了这些抗原在医学、尤其是在治疗或预防肺炎链球菌感染方面的用途。还描述了抗原在诊断中的用途。
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