KR100735784B1 - 인간 과립구콜로니자극인자 변이체 및 이의 화학적 접합물 - Google Patents

인간 과립구콜로니자극인자 변이체 및 이의 화학적 접합물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항암치료보조제로 이용되는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF) 변이체 및 이의 화학적 접합체에 관한 것으로, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 133번 위치의 트레오닌(Thr)잔기가 시스테인(Cys)잔기로 치환되거나, 135번 위치의 글리신(Gly)잔기와 136번 위치의 알라신(Ala)잔기 사이에 시스테인(Cys)잔기가 삽입된 G-CSF 변이체 및 이들 변이체에 PEG 등과 같은 생체적합성 고분자가 접합되어 생물학적 활성의 감소 없이 체내 잔류 시간이 증가되어 궁극적으로 생체 내 활성이 오래 유지되는 시스테인(cysteine)-도입된 G-CSF 변이체 및 이러한 변이체의 생체적합성 고분자 접합물을 제공한다.
과립구콜로니자극인자, G-CSF, PEG, 항암제, 자유 시스테인

Description

인간 과립구콜로니자극인자 변이체 및 이의 화학적 접합물{Mutant of granulocyte-colony stimulating factor(G-CSF) and chemically conjugated polypeptide thereof}
도 1은 PEG와 과립구콜로니자극인자 접합반응의 반응도(schematic diagram)이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 정제된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체와 PEG 접합물의 SDS PAGE 이다.
도 3는 본 발명에 따라 제조된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체와 PEG 접합 반응물의 SDS PAGE이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체와 PEG 접합물의 체내 약물동력학(Pharmacokinetics) 측정 결과이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체와 PEG 접합물의 체내 호중구 활성화 능력을 비교한 약물약동학(Pharmacodynamics) 측정 결과이다.
본 발명은 항암제 투여시 골수세포로부터 호중구성 과립구 콜로니의 생성을 촉진하고 최종 단계로의 분화를 유도하여 백혈구 감소 현상을 완화시키는 항암치료보조제인 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF) 변이체 및 이의 화학적 접합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리에틸렌글리콜(PEG)과 같은 비 단백질 고분자 물질이 G-CSF에 효과적으로 접합되도록 G-CSF의 특정 아미노산이 치환되거나, G-CSF의 특정 위치에 아미노산이 삽입된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체 및 상기 변이체에 비 단백질 고분자가 화학적으로 접합된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체에 관한 것이다.
인체의 조혈작용은 주로 골수에서 이루어지며 복잡하고 다양한 경로를 통해 여러 종류의 혈구를 만든다. 이러한 조혈작용은 특정한 당단백질들에 의해 조절되는데, 이를 통칭하여 콜로니자극인자(CSF: Colony Stimulating Factor)라 한다. 이는 혈구세포를 반고체 배지 상에서 배양할 때 성장인자로 작용하여 단핵세포(monocyte)나 과립구(granulocyte) 그리고 다른 조혈세포들의 콜로니 형성을 자극하기 때문에 붙여진 이름이다. 이 인자들은 조혈작용의 경로에 따라 각각 다른 이름으로 명명되고 분류되는데, G-CSF(Granulocyte-CSF)는 주로 호중구, GM-CSF (Granulocyte Macrophage-CSF)는 거식 세포, 그리고 multi-CSF (IL-3)는 과립세포, 거식세포, 거핵세포 그리고 적혈구의 콜로니 형성을 유도한다.
이중 G-CSF(Granulocyte-CSF)는 골수 밖에서 골수 간 세포와 백혈구의 분열 과 분화를 지시하는 사이토카인(cytokine)으로서 호중구 전구세포의 증식 및 분화를 촉진시키며, 성숙한 호중구를 활성화시켜 호중구의 탐식작용, 항체의존 세포살해작용, 슈퍼옥사이드(superoxide) 생성작용 그리고 화학 주성인자 (chemotactic factor)에 대한 반응을 증가시키는 것으로 알려져 있다 ((Metcalf, Blood) 67:257 (1986); (Yan, et al., Blood) 84(3): 795-799 (1994); (Bensinger, et al., Blood) 81(11):3158-3163(1993); (Roberts, et al., Expt'l Hematology) 22:1156-1163 (1994); (Neben, et al., Blood) 81(7): 1960-1967 (1993)).
악성종양에 대한 치료는 방사선 조사 및 항암제의 투여가 일반적이나 이와 같은 치료는 환자의 급격한 백혈구의 감소와 이에 동반되는 면역력 감퇴로 장기 치료가 어려웠다. Lopez 등에 의해 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)는 항암 치료시 보조제로서 환자의 면역기능을 활성화시켜 치료가 보다 효과적으로 수행되게 할 수 있음이 초기에 제시되었으며(Lopez et al., J. Immunol. 131(6):2983-2988, 1983; Platzer et al., J. Exp.Med. 162:1788-1801, 1985), G-CSF는 현재는 다양한 항 암 치료와 난치 백혈병치료에 유효하게 사용되고 있다.
초기에 G-CSF (Granulocyte-CSF)의 연구는 사람의 종양 세포주인 CHU-2 세포 (Nomura et al, EMBO J. 8(5):871-876, 1986)와 방광암세포 5637 (Welte et al., Proc. Narl. Acad. Sci. USA82:1526-1530, 1985; Strige et al., Blood69(5):1508-1523, 1987)의 배양액에 과립구콜로니 자극 활성을 갖는 물질이 존재함이 확인되는 것에서부터 시작되었으며, 이 배양액에서 과립구콜로니 자극 활성을 갖는 분자량 18 내지 19 kDa의 단백질이 정제되었다(Nomuraet al., EMBO J. 5(5):871-876, 1986).
연구 초기, G-CSF의 cDNA는 L.M. Souza et al. (Science, 232 : 61-65(1986))에 의하여 방광암 세포주 5673 (bladder carcinoma cell line 5673)(대한민국 특허공개 제1998-77885호)로부터 처음 분리되었으며, 그 후 판상 암 세포주 (squamous carcinoma cell line)와 말초성 혈액 대식 세포 (peripheral blood macrophage)의 cDNA 라이브러리에서 클로닝되었다 (S. Nagata et al., Nature, 319: 415-417 (1986); S. Nagata et al., EMBO J., 5: 575-581 (1986); Y. Komatsu et al., Jpn. J. Cancer Res., 78: 1179-1181 (1987)).
유전자재조합 기술(gene recombinant technology)을 이용하여 대장균으로부터 다량의 G-CSF를 발현하는 과정에서 G-CSF는 세포질 내에 봉입체(inclusion body)인 불용성 형태로 발현되며 리폴딩(refolding) 과정에 의해 활성을 갖는 G-CSF로 전환되는 것이 알려져 있다. 대장균으로부터 생산되는 유전자재조합 과립구콜로니자극인자(rG-CSF)는 서열번호 1의 천연형 G-CSF(174 아미노산)의 서열을 모두 포함하는 한편, N-말단에 메치오닌(Met)을 더 포함하여 서열번호 2의 단백질(175 아미노산)으로 구성되어 있으며, 분자량은 약 19 kDa정도이다. 또한 천연형 G-CSF는 N-133번째 아미노산인 트레오닌(Thr)에 O-당쇄화 부위를 가지는 반면, 대장균 유래의 재조합 G-CSF는 당쇄를 갖고 있지 않다. 그러나, 이러한 당쇄의 유무 및 N-말단의 메치오닌은 생물학적 활성에 큰 영향이 없는 것으로 알려져 있다(Souza 등: Science 232, 1986, 61).
G-CSF와 같은 생체 단백질 치료제는 선택성이 높고 독성이 낮은 장점이 있는 반면에 체내에서 잔류 시간이 짧고, 불안정한 단점이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위한 방안으로 G-CSF, 인터페론 등과 같은 생체 단백질(폴리펩티드)에 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐알콜, 폴리비닐필롤리돈 등과 같은 생체적합성 고분자 물질을 접합하는 방법이 개발되었다. 이러한 PEG접합(pegylation) 등은 단백질 가수분해 효소를 효과적으로 차단함으로써 생체 단백질의 분해를 방지하고 신장에서 빠른 배출을 방지하여 단백질 치료제의 안정성 및 반감기를 증가시키는 기능을 가지며, 면역원성을 줄이는 효과 등도 가지고 있다(Sada 등의 J. Fermentation Bioengineering 71: 137-139(1991)).
특히, PEG가 접합된 단백질 치료제의 예로는 복합 면역부전증 치료제로서 개발된 아데노신디아미나제의 폴리에틸렌 글리콜화된 제형; 간염 치료제로서 개발된 인터페론의 폴리에틸렌글리콜화된 제형; 글루코세레브로시다제 및 헤모글로빈의 폴리에틸렌글리콜화된 제형 등이 있다. 폴리에틸렌글리콜(PEG) 외에 단백질 치료제의 화학적 접합에는 에틸렌글리콜/프로필렌글리콜의 공중합체, 카르복시메틸셀룰로스, 덱스트란, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리-1,3-디옥솔란, 폴리-1,3,6-트리옥산, 에틸렌/무수 말레인산 공중합체, 폴리아미노산(동종중합체나 랜덤 공중합체 중 선택) 등이 일반적으로 사용되고 있다.
PEG(polyethylene glycol)는 HO-(-CH2CH2O-)n-H의 구조를 갖는 고분자 화합물로서, 친수성이 강하므로 의약 단백질에 결합하여 그 용해도를 증가시킨다. 단백질에 결합되는 PEG의 분자량 범위는 대략 1,000∼100,000으로, PEG의 분자량이 1,000 이상일 경우 독성은 상당히 낮은 편으로 알려져 있다. 분자량 범위 1,000∼6,000의 PEG는 전신에 분포하며 신장을 통해 대사되고, 특히 분자량 40,000의 분지 PEG는 혈액과 간을 포함한 기관들에 분포되고 대사는 간에서 이루어진다.
미국 특허 제4,179,337호는 생물학적 활성 폴리펩타이드에 약 500~20,000 달톤인 폴리에틸렌글리콜(PEG) 또는 폴리프로필렌글리콜(polypropylene glycol, PPG)이 결합된 생물학적 활성형(bioactive), 비면역원성, 수용성 폴리펩타이드 조성물을 개시하고 있다. 일반적으로 PEG를 폴리펩타이드에 접합시키기 위해서 활성화된 PEG를 사용한다. 활성화-PEG(activated PEG)는 PEG의 한쪽 하이드록시 기(hydroxy group)를 메틸에테르 기(methyl ether group)로 치환하고, 다른 하이드록시기에 친전자성(electrophile)작용기를 결합하여 제작하며 친전자성(electrophile)작용기를 통하여 단백질에 접합하게 된다. 그러나 이러한 화학적 접합 반응은 비 특이적(non-specific)이어서 PEG가 단백질의 활성부위(active site)에 결합하면 단백질의 활성을 감소시키게 된다. 그와 같은 예는 롯슈(Roche)와 쉐링(Schering)에 의해 각각 개발된 폴리에틸렌글리콜화된 인터페론-α에서 찾아 볼 수 있다. 롯슈(Roche)와 쉐링(Schering)에 의해 개발된 인터페론-α의 PEG 접합물은 인테페론-α 1분자에 PEG 1분자가 결합된 접합물로서 PEG접합에 의해 체내 반감기는 증가되었지만 PEG가 인터페론-α의 여러 위치에 접합되어 생물학적 활성 또한 크게 감소시켰다.
일반적으로 사용되는 활성화-PEG에는 (a)PEG dichlorotriazine, (b)PEG tresylate, (c)PEG succinimidyl carbonate, (d)PEG benzotriazole carbonate, (e)PEG p-nitrophenyl carbonate, (f)PEG trichlorophenyl carbonate, (h)PEG succinimidyl succinate 등이 있다(M.J. Roberts, M.D. Bentley, J.M. Harris, Chemistry for peptide and protein PEGylation, Advanced Drug Delivery Reviews 54 (2002) 459-476). 이들의 화학적 결합반응은 비특이적(non-specific)이어서 다수의 PEG가 결합된 다중 접합물(multimer)을 형성하거나 서로 다른 위치에 PEG가 결합한 이성체(isomer)가 생성되는 문제점이 있다. 다중 접합체와 이성체는 PEG 접합물의 생물학적 활성과 명확한 약물동력학 측정을 어렵게 하며 PEG 접합체의 순수 분리과정을 어렵게 하는 문제점들이 있다.
이를 극복하기 위한 방안으로 미국특허 제5,766,897호 및 국제특허 공보 제WO 00/42175호에서는 PEG-말레이미드를 사용하여 PEG를 단백질의 시스테인(Cys)에 선택적으로 PEG를 접합하는 방법을 개시되어 있다. 시스테인 특이적 PEG 접합반응을 통하여 PEG를 단백질에 결합하기 위해서는 디설파이드 결합(disulfide bonding)에 관여하지 않는 자유 시스테인(free cysteine)이 있어야 한다. 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)에는 5개의 시스테인(cysteine)이 존재하는데 각각 N-36번과 42번 시스테인 간(천연형 G-CSF 기준), N-64번과 74번 시스테인 간(천연형 G-CSF 기준)에는 디설파이드 결합이 형성되어 있고, 17번 시스테인만이 자유 시스테인이다. 2개 디설파이드 결합(36번-42번, 64번-74번)은 과립구콜로니자극인자의 구조 형성과 생물학적 활성유지에 결정적인 역할을 하며, 17번 시스테인은 세린 (serine)으로 교체되어도 과립구콜로니자극인자의 생물학적 활성에 영향를 주지 않으므로 천연구조 형성과 생물학적 활성에는 기여를 하지 않는 것으로 알려져 있다(winfield 등: Biochem. J. 256, 1988, 213). 그러나 Piget 등은 17번 시스테인이 반응 조건 에 따라 분자 간 디설파이드 결합(intermolecular disulfide bond)이나 분자 내 디설파이드 결합(intramolecular disulfide bond)을 형성하여 리폴딩(refolding)을 방해할 뿐 아니라 G-CSF의 생물학적 활성과 안정성을 낮출 가능성이 있다고 보고하고 있다(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 83, 1986, 7643).
한편, G-CSF의 17번 시스테인은 G-CSF에 존재하는 유일한 자유 시스테인(Cys)으로 이를 세린(Ser)으로 치환하여도 생물학적 활성에 큰 변화를 유발하지 않는 것으로 보고 되었다(Kyowa, 대한민국 특허등록 제10-0114369호)
G-CSF의 변이체를 이용한 치료제 개발 사례로는 Kyowa사의 Neu-up®(성분명: Nartograstim)이 있다. 이 변이체는 천연형 G-CSF에 비해 비활성 및 체내 반감기가 월등히 증가된 것으로 보고되고 있으나 임상에서의 큰 장점은 보고된 바 없다.
G-CSF의 PEG(polyethylene glycol)접합체는 Amgen사에 의해 N-terminal에 PEG를 특이결합한(specific conjugation) Neulasta®(N말단 PEG 접합 Filgrastim)가 상용화되었다.
화학적 접합을 위한 G-CSF 변이체의 개발은 Maxygen사 (PCT/DK2001/00011)에 의해 제시되었으나 이들이 제시한 변이체 및 이로부터 생성된 PEG-접합체의 특성에 대해서는 설명하지 못하고 있다. 변이체 제작은 다양한 방법으로 가능하다. 즉 변이 위치의 선정, 변이(mutation)방법(삽입, 치환, 제거), 변이정도(1-2 residue ~ fragment) 그리고 이들의 조합으로 생성될 수 있는 변이체의 종류는 수천 ~ 수만 가지가 가능하며, 각 경우 이들이 나타내는 생물학적 성질 및 물리 화학적 특성은 각기 다를 것이다. 그러므로 이로부터 생성되는 화학적 접합체 또한 각기 다른 특성을 지닐 것은 자명하다.
일반적으로 화학적 접합을 위한 변이체의 제작은 밝혀진 구조를 바탕으로 계획된다. Osslund 등(미국특허 제5,581,476호)은 accessible residue를 기준으로 접합 위치를 선정하고, 수용체와의 결합구조로부터 결합에 방해되지 않는 위치를 선택하여 대상 변이체수를 제한하여 실제적인 화학적 접합을 위한 변이체의 선정이 가능하도록 하였다. 그러나 이러한 구조적 정보에 기초한 변이 위치의 선정은 이 분야의 일반적인 지식을 가진 자라면 쉽게 생각할 수 있는 접근 방법이라고 사료된다.
변이와 관련된 도입 및 삽입 시, 도입 및 삽입되는 잔기의 수뿐 아니라 변이의 성격(즉 변이되는 잔기의 종류)은 변이체의 생물학적 활성에 큰 영향을 미친다. 소수성 잔기와 친수성 잔기의 상호 교환 또는 큰 잔기와 작은 잔기의 상호 교환은 변이체의 구조에 큰 영향을 미치며 이러한 구조적 영향은 G-CSF의 생물학적 특성뿐 아니라 안정성에 큰 영향을 주리라는 것은 쉽게 생각할 수 있다. 특히 자유 시스테인의 도입은 Freeman ML 등에 의해 제시되었듯이 단백질의 안정성에 큰 영향을 미친다(Destabilization and denaturation of cellular protein by glutathione depletion, Cell Stress Chaperones. 1997 Sep;2(3):191-8).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 G-CSF의 특정위치에 시스테인(cysteine)을 도입하여, PEG 등과 같은 생체적합성 고분자와 특이적 접합이 용이하고, 이러한 생체적합성 고분자 접합에 의해 생물학적 활성의 감소 없이 체내 잔류 시간이 증가되어 궁극적으로 생체 내 활성이 오래 유지되는 시스테인(cysteine)-도입된 G-CSF 변이체 및 이러한 변이체의 생체적합성 고분자 접합물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명의 인간 과립구콜로니자극인자 변이체 및 이의 접합체를 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서, 천연형 G-CSF는 서열번호 1로 표현되고, 재조합 G-CSF(rG-CSF)는 서열번호 2로 표현된다. G-CSF는 특별한 언급이 없는 한, 본 발명에서 천연형 G-CSF 및 재조합 G-CSF를 모두 포함하여 사용될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 133번 위치의 트레오닌(Thr)잔기가 시스테인(Cys)잔기로 치환되어 있는 서열번호 3의 인간 과립구콜로니자극인자 변이체를 제공한다.
또한, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 133번 위치의 트레오닌(Thr)잔기가 시스테인(Cys)잔기로 치환되어 있고, 상기 치환된 시스테인(Cys)잔기에 비 단백질 화학물이 수식된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 서열번호 1의 아미노산 서열의 133번 위치의 트레오닐(Thr)잔기가 시스테인(Cys)잔기로 치환되고, 17번 시스테인(Cys)잔기가 세린(Ser)잔기로 치환된 서열번호 4의 단백질에, 상기 치환된 133번 시스테인(Cys)잔기에 비 단백질 화학물이 수식된 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF) 변이체의 접합체를 제공한다.
상기 비 단백질 화학물은 133번 시스테인의 티올기에 화학적으로 접합하기 위한 활성화된 생체적합성 고분자 물질로서, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카르복실산 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 말레이미드(maleimide), 비닐설폰(vinyl sulfone), 이오도아세트아미드(iodacetamide) 및 오르토피리딜 디설파이드(orthopyridyl disulfide)로 이루어진 군에서 선택된 1종이 결합된 것이 바람직하고, 폴리에틸렌글리콜과 말레이미드가 결합된 생체적합성 고분자인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 비 단백질 화학물은 2 내지 100 kDa의 분자량을 가지는 것이 바람직하고, 5 내지 100 kDa의 분자량의 폴리에틸렌글리콜인 것이 더욱 바람직하다.
한편, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 135번 위치의 글리신(Gly)잔기와 136번 위치의 알라신(Ala)잔기 사이에 시스테인(Cys)잔기가 삽입된 서열번호 5의 인간 과립구콜로니자극인자 변이체를 제공한다.
또한, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 135번 위치의 글리신(Gly)잔기와 136번 위치의 알라신(Ala)잔기 사이에 시스테인(Cys)잔기가 삽입되어 있고, 상기 삽입된 시스테인(Cys)잔기에 비 단백질 화학물이 수식된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 135번 위치의 글리신(Gly)잔기와 136번 위치의 알라신(Ala)잔기 사이에 시스테인(Cys)잔기가 삽입되고, 17번 시스테인(Cys)잔기가 세린(Ser)잔기로 치환된 서열번호 6의 단백질에, 상기 삽입된 136번 시스테인(Cys)잔기에 비 단백질 화학물이 수식된 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF) 변이체의 접합체를 제공한다.
상기 비 단백질 화학물은 135번 위치의 글리신(Gly)잔기와 136번 위치의 알라닌(Ala)잔기 사이에 삽입된 시스테인(Cys)잔기의 티올기에 화학적으로 접합하기 위한 활성화된 생체적합성 고분자 물질로서, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카르복실산 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 말레이미드(maleimide), 비닐설폰(vinyl sulfone), 이오도아세트아미드(iodacetamide) 및 오르토피리딜 디설파이드(orthopyridyl disulfide)로 이루어진 군에서 선택된 1종이 결합된 것이 바람직하고, 폴리에틸렌글리콜과 말레이미드가 결합된 생체적합성 고분자인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 비 단백질 화학물은 2 내지 100 kDa의 분자량을 가지는 것이 바람직하고, 5 내지 60 kDa의 분자량의 폴리에틸렌글리콜인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서 이용되거나, 제조되는 인간 G-CSF 변이체는 화학적으로 합성하거나, 게놈 또는 cDNA 클로닝에 의해 수득한 외인성 DNA 서열을 원핵 또는 진핵 숙 주세포에서 유전공학적 방법으로 발현시켜 제조할 수 있다. 숙주로서는 대장균(예를 들어, E. coli) 또는 효모(예를 들어, S. cerevisias) 및 포유동물 세포(예를 들어, 중국 햄스터 난소세포, 원숭이 세포)를 포함한다. 사용한 숙주에 따라, G-CSF 변이체는 글리코실화될 수 있거나, 비-글리코실화될 수 있으며 초기 메티오닌 잔기를 포함할 수 있다. G-CSF 변이체는 형질전환된 포유동물 유기체로부터 생산될 수 있으며 이때 G-CSF 변이체는 소, 양, 돼지, 토끼, 염소의 유(milk), 혈액 및 뇨(urine)에서 채취될 수 있다.
도입된 자유 시스테인(cysteine)에 PEG를 부가하기 위해서는 PEG 부가 후에도 생물학적 활성이 유지되며 또한 용이하게 PEG접합이 가능한 위치에 자유 시스테인이 도입된 G-CSF 변이체 제작이 필요하다. 이에 본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 구조적으로 유연한 CD-loof 부분에 치환 또는 삽입으로 자유 시스테인을 도입한 후, 도입된 자유 시스테인에 PEG를 접합하여 이들 변이체 들 중 PEG 접합 과정에서 G-CSF 변이체 및 G-CSF 변이체-PEG 접합물의 안정성이 유지되고 G-CSF 변이체-PEG 접합물의 생물학적 활성이 유지되는 G-CSF 변이체를 선별하였다.
G-CSF의 X-ray 회절구조(PDB ID, 1bgc )에서 G-CSF의 CD loop은 상당히 유연하며 G-CSF 전체 구조에 큰 영향을 미치지 않는 부위로 판단되어 CD loop (rG-CSF(서열번호 2)의 Gly126 -Ser143)부위에 시스테인이 도입된 변이체들을 제작하였다. CD loop부위는 몇몇 X ray 결정 구조 (PDB ID, 1bgc)에서 볼 수 있듯이 그 구조가 불분명한 영역으로 구조적으로 유연한 부분으로 예측되며, PEG 접합에 의한 구조적 변화를 충분히 완충화할 수 있는 부위로 예상하였다. 또한 충분히 외부에 노출되어 있어 고분자 물질의 접근이 용이하고 receptor 결합 구조에 있어서도 receptor와 overlap되는 부위가 없어 화학적 접합에 유리한 위치라 예측되었다.
이에 본 발명자들은 G-CSF의 CD loop부위(서열번호 2의 126-Gly Met Ala Pro Ala Leu Gln Pro Thr Gln Gly Ala Met Pro Ala Phe Ala Ser-143)에 시스테인이 도입된 변이체를 제작하고 도입된 시스테인을 PEG 접합시키는 과정의 screening과정을 수행하였고, 그 결과 각각의 시스테인 도입 변이체들은 그 위치에 따라 안정성 및 PEG 접합에서 큰 차이를 보였다. 몇몇 변이체는 안정하여 발현 및 정제 과정이 용이하였으나 PEG 접합이 용이하지 않았는 데, 이는 변이가 위치한 주위의 microenvironment가 steric hinderance나 근접 잔기의 영향으로 PEG접합이 용이하지 않음을 의미한다. 또한 몇몇 변이체들은 불안정하여 발현 및 정제가 용이하지 않아 대부분 정제 과정 중 침전을 형성하였다.
시스테인이 도입된 G-CSF 변이체의 PEG 접합에서 기대되는 장점은 첫째, PEG 접합 반응의 정확성에 있다. 단백질의 Lysine 또는 N-terminal amine에 (a)PEG dichlorotriazine, (b)PEG tresylate, (c)PEG succinimidyl carbonate, (d)PEG benzotriazole carbonate, (e)PEG p-nitrophenyl carbonate (f)PEG trichlorophenyl carbonate, (g)PEG carbonylimidazole 및 (h)PEG succinimidyl succinate 등을 매개로 일어나는 PEG 접합은 비 특이적이며 주로 이당량 또는 그 이상의 PEG가 접합되거나, 동일한 당량의 PEG가 접합되더라도 다른 위치에 접합된 위치 이성체(isomer)가 생성된다. 그리고 이를 제거하는데 시간과 비용이 많이 소 요된다(M.J. Roberts et al., Chemistry for peptide and protein PEGylation., Advanced Drug Delivery Reviews 54 (2002), 459-476). 그리고 둘째, PEG 접합위치를 선정할 수 있는 장점이 있다. 대부분의 PEG 접합 위치는 Lysine, Aspatate, Glutamate, Alpha-amine, carboxyl과 같이 포괄적이어서 접합 위치가 구조적으로 활성에 중요한 부분에 위치할 경우, PEG접합은 활성을 크게 저하시킨다. 이러한 관점에서 시스테인-도입에 의한 선택적 PEG 접합은 활성을 유지하는 PEG 접합체의 개발에 유용할 것이다.
자유 티올기는 반응성이 높아 산화 (Rigo A et al., Interaction of copper with cysteine: stability of cuprous complexes and catalytic role of cupric ions in anaerobic thiol oxidation, J Inorg Biochem. 2004, 98(9), 1495-501)뿐 아니라 disulfide bond (이황화 결합)를 쉽게 생성하여, 화학적 수식을 위하여 단백질 표면에 도입할 경우 분자간 디설파이드(disuldise) 결합을 생성하여 부차적인 침전을 유발하거나 산화되어 수식(modification)이 불가능하게 되기 쉽다(Crow MK, et.al., Protein aggregation mediated by cysteine oxidation during the stacking phase of discontinuous buffer SDS-PAGE, Biotechniques 2001, 30(2), 311-6). 그리고 이러한 현상은 도입-시스테인(cysteine)의 위치가 외부에 노출될수록 정도가 심해지는 것은 당연하다. 따라서, 선택적 화학 수식 (specific chemical modification)을 위한 시스테인-도입 위치를 선정 시, 구조적인 정보 (structural information)에만 의존하여 시스테인 도입 위치를 선정할 경우, 대부분 상당한 오류, 즉 자유 시스테인에 의한 단백질 불안정성에 봉착하게 된다( Grzegorz Bulaj, Formation of disulfide bonds in proteins and peptides, Biotechnology Advances 23 (2005) 87-92).
본 발명에서 시도된 대부분의 시스테인-도입 G-CSF 변이체는 발현 및 정제 효율이 낮았다. 이와 같은 자유 시스테인을 갖는 단백질의 불안정성 문제를 해결하고자 COX G. N. 등은 시스테인-도입 변이체의 생산에 이들 변이체들의 불안정성을 보완하기 위해 특별히 고안된 방법들을 사용하였다(국제공개 제WO 00/42175호). 그러나 이러한 노력은 자유 시스테인 도입 변이체가 근본적으로 갖는 불안정성을 완화시킬 뿐 생산 공정에 적용하기에는 어려운 면이 많다. 예를 들어 제WO 00/42175호에 설명된 것처럼 단백질의 세포내 발현은 시스테인 도입 변이체의 안정성에 유리하나 이를 정제하기 위해서는 세포 밖으로 유리해야한다. 이때 redox couple등을 이용하여 산화/환원적인 외부환경(redox potential)을 일정하게 유지하여 세포 밖에서의 안정성을 유지한다는 것이 WO 00/42175호의 원리이나 세포 밖에서 장시간에 걸쳐 산화/환원 환경을 일정하게 유지하기 어려우며 특히 정제 과정에서 이를 유지시키기는 더 어렵다. 그러나 본 발명에서는 일반적인 폴딩(folding)과정과 정제 과정이 적용될 수 있는 시스테인-도입 변이체를 선택하였으며 이는 본 발명에서 선택된 시스테인-도입 변이체가 자유 시스테인을 갖고 있음에도 불구하고 구조적으로 지속적인 안정성을 유지함을 입증하는 것이라 하겠다. 본 발명에서 선정한 시스테인-도입 G-CSF 변이체는 E. coli .에서 봉입체(inclusion body)로 발현되며 일반적인 리폴딩(refolding)방법으로 활성형 G-CSF 변이체로 전환되었다. 일반적인 리폴딩(refolding)방법이란 봉입체(inclusion body)를 urea나 guanidium 염 등으로 용 해 후 urea나 guanidium을 dilution과 같은 방법으로 제거하거나 농도를 낮추어 생물학적으로 활성을 갖는 구조를 이루게 하는 과정으로 단백질 내 disulfide 결합의 유무에 따라 redox-couple (산화, 환원 형태의 glutatione 또는 cysteine)을 첨가시키기도 한다 (Ronald W et al., Disulphide bond formation in food protein aggregation and gelation, Biotechnology Advances 23 (2005) 75-80). 바람직하게 본 발명은 6-8 M urea urea에 시스테인 도입 변이형 G-CSF의 inclusionbody를 용해 시키고 2-4 M urea에 glutathione 존재 하에 dilution하여 refolding을 수행하였다.
접합될 PEG 중합체의 분자량은 제한되지 않으나, 2 내지 100 kDa이 바람직하고, 10 내지 60 kDa이 더 바람직하다. 본 발명에서는 생체적합성 고분자인 PEG-말레이미드를 시스테인-도입 G-CSF의 도입된 시스테인-티올(thiol)기에 결합시키는 방법을 사용하였는데 G-CSF를 PEG (20kDa 또는 30kDa)-maleimide와 반응시킴으로써, PEG (20kDa 또는 30kDa)-G-CSF 접합체를 제조하였다.
본 발명에서 G-CSF에 도입된 시스테인의 티올기를 통해 생체적합성 고분자 PEG를 결합시키는 반응에 있어서, PEG와 G-CSF의 반응 몰-비율이 2:1 내지 200:1, 반응 온도는 0 내지 60℃, 반응 pH는 5.0 내지 7.7, 반응시간은 5분 내지 24시간 범위의 조건이 바람직하였다.
본 발명에서 설명된 방법으로 PEG접합 반응을 수행한 후 SDS-PAGE를 통해 PEG와 G-CSF 변이체의 결합 여부를 확인하였다. 접합반응물로부터 모노-PEG-G-CSF 접합체를 얻기 위해, 먼저 양이온 교환 크로마토그래피를 이용하여 모노-PEG-G-CSF 유도체를 분리해 낸다. 상기의 양이온 교환 크로마토그래피를 통해 분리된 것을 크기 배제 크로마토그래피를 이용하여 반응에 참여하지 않고 존재하는 미량의 G-CSF를 제거한 모노-PEG-G-CSF 접합체만을 분리하였다.
본 발명에서 기술한 모노-PEG-G-CSF 유도체의 생물학적 활성을 측정하기 위해 여러 문헌 (Baldwin et al., Acta Endocrinologica., 119:326, 1988; Clark et al., J. Biol. Chem., 271(36):21969, 1996; 및 Bozzola et al., J. endocrinol. Invest., 21:768, 1998)에 공지된 방법을 수행하였다. 그 결과, 본 발명에 따라 제조된 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 PEG 접합체는 생체 내에서 잔류 시간의 증가와 동시에 생물학적 활성을 높은 수준으로 유지할 수 있음을 확인하였다.
N-말단에 PEG가 접합된 Filgrastim의 in vitro 생물학적 활성은 Filgrastim의 68 %라 보고되었다(미국특허 제5,824,784호). 그러나 본 발명에서 제조되는 G-CSF 변이체의 PEG 접합물들은 in vitro 생물학적 활성이 Filgrastim의 2.1 ~ 3.5 배(250~300%) 정도이다. 또한, 체내 반감기는 Filgrastim의 약 5 배 이상이며, Filgrastim보다 호중구 활성화 능력이 우월하다. 이는 선택한 시스테인-도입 위치가 G-CSF의 활성 및 안정성에 큰 영향을 미치지 않는 위치이며 또한 유연하여 PEG접합에 의한 구조적 변화를 완충할 수 있었기 때문인 것으로 생각된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 결코 아니다.
[ 실시예 1 ~ 11] G- CSF 의 CD loop(서열번호 2의 Gly 126 - Ser 143 ) 내 각 아미노산의 시스테인 치환을 통한 G- CSF 변이체의 접합체 제조
A. 재조합 인간 과립구콜로니자극인자(rG-CSF)의 준비
본 발명에서 사용된 재조합 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)는 본 출원인의 대한민국 특허등록 제230579호에 기재된 균주(KFCC-10961)를 사용하여 발현되었다. 이 발현 방법으로 준비된 재조합 G-CSF는 대장균에서 유래된 것으로 Filgrastim 과 동일하며 서열번호 2의 아미노산 서열을 가진다.
본 실시예들에서 G-CSF는 재조합 G-CSF를 이용하는 것에 기인하여, 서열번호 2의 아미노산 서열을 기준으로 번호를 부여하기로 한다.
B. 재조합 인간 과립구콜로니자극인자의 시스테인-도입 변이체 제작
시스테인-도입 G-CSF 변이체들은 대한민국 특허등록 제230579호에 기재된 G-CSF 발현 균주(KFCC-10961)로부터 제작되었다. G-CSF 발현 균주를 LB 배지에 12 시간 진탕 배양 후 Quiagene사의 plasmid preparation kit을 사용하여 G-CSF 발현 벡터(pGW2)를 분리하였다. 분리된 G-CSF 발현 벡터(pGW2)를 template 로 하여 하기 표 1에 표시된 바와 같이 시스테인-도입 유전자가 포함된 상보성의 mutation primer (30-40 base pair 길이의 상보성 polynucleotide 2 가닥)를 사용하여 분리된 G-CSF 발현 벡터를 template로 PCR을 수행하였다. PCR로 복제된 G-CSF 발현 벡 터는 DPN 1효소로 처리하여 template를 제거한 후 rubidium 처리한 MC 1061 E. coli 에 transformation 하였다. Transformation된 host는 Ampicilin 배지에 배양하여 형질 전환 균주를 선별하였다. 변이(Mutation)을 위한 PCR과 template제거를 위한 효소처리는 site-directed mutagenesis kit (Stratagene사의 QuikChange Site-Directed Mutagenesis Kit) 의 pfuTurbo DNA polymerase와 Dpn 1 효소를 각각 사용하여 사용자 지침서를 기초로 수행하였다. Mutation 확인은 primer (5'-GCGGATCCTGCCTGA-3')를 사용한 sequencing PCR을 통한 염기서열 분석으로 확인하였다.
C. 시스테인-도입 G- CSF 변이체의 발현
Ampicilin 이 5 μg/ml로 첨가된 5 ml LB 배지에 시스테인-도입 G-CSF 변이체들을 12시간 배양 후, 500 ml의 LB 배지(Ampicilin 5 μg/ml 첨가)에 옮겨 진탕 배양하였다. 균체 OD가 0.5 에 도달 했을 때, arabinose를 최종 1 %(w/v) 되게 배지에 첨가 후 7 시간 진탕배양하여 시스테인-도입 G-CSF 변이체를 과다 발현 시켰다.
D. 시스테인-도입 G- CSF 변이체의 리폴딩 ( refolding ).
시스테인-도입 G-CSF 변이체가 과다 발현된 균체를 원심분리하여 Tris 20 mM , 150 mM NaCl 에 현탁 후, sonicator로 균체를 파쇄하였다. 세포 파쇄물을 원심분리 후 2%(w/v) sodium deoxycholate로 세척하여 봉입체(inclusionbody)를 회수하였 다. 시스테인-도입 변이체의 봉입체(inclusion body)를 7 M urea, 20 mM Tris, 100 mM NaCl, pH8.8에 녹인 후, 3.3 M urea, 5 mM Tris, 2 mM reduced glutathione, 0.2 M oxidized glutathione, pH 8.8에 10배 희석하여 18 시간 동안 4 ℃에서 교반하면서 리폴딩(refolding)과정을 수행하였다.
E-1. 시스테인-도입 G- CSF 변이체의 PEG의 접합물 제조.
시스테인-도입 G-CSF 변이체의 리폴딩(refolding) 시료를 pH 4.5 되게 HCl로 적정한 후, 원심분리하여 침전물을 제거하였다. 활성을 갖는 시스테인-도입 G-CSF 변이체를 정제하기 위하여 20 mM sodium phosphate pH 4.0로 평형된 SP-sepharos fast flow column에 주입 후, 평형버퍼로 세척하는 과정을 거친 후, 100~5000 mM NaCl 염농도 구배 용출로 분리하였다. SP-sepharos로부터 용출된 시스테인-도입 G-CSF 변이체 시료의 pH를 6.8로 조정 후, 평균 분자량이 각각 20kDa 또는 30 kDa인 메톡시-PEG-말레이미드(Shearwater사, 미국)를 시스테인-도입 G-CSF 변이체: 메톡시-PEG-말레이미드의 몰비가 1:2가 되도록 상기 용액에 각각 첨가하고 4℃에서 18시간 동안 서서히 교반시키면서 반응시켰다.
E-2. 시스테인-도입 G- CSF 변이체의 vinyl sulfone -PEG의 접합물 제조.
E-1 방법으로 분리된 시스테인 도입 G-CSF 변이체의 SP-sepharos용출액 시료의 pH를 7.5로 조정 후, 평균 분자량이 20 kDa인 메톡시-PEG-vinylsulfone을 시스테인-도입 G-CSF 변이체:메톡시-PEG-vinylsulfone의 몰비가 1:5 가 되도록 상기 용 액에 각각 첨가하고 4℃에서 18시간 동안 서서히 교반시키면서 반응시켰다.
E-3. 시스테인-도입 G- CSF 변이체의 iodoacetimide -PEG의 접합물 제조.
E-1 방법으로 분리된 시스테인 도입 G-CSF 변이체의 SP-sepharose 용출액 시료의 pH를 7.0로 조정 후, 평균 분자량이 20 kDa인 메톡시-PEG-iodoacetimide를 시스테인-도입 G-CSF 변이체:메톡시-PEG-iodoacetimide의 몰비가 1:2 가 되도록 상기 용액에 각각 첨가하고 4℃ 조건하에 48 시간 동안 암실에서 서서히 교반시키면서 반응시켰다.
F. 모노- PEG -인간 과립구 콜로니 자극인자 유도체의 융합체 분리
생성된 시스테인-도입 G-CSF 변이체의 PEG 접합 반응물의 pH를 4,0 으로 조정 후, 20 mM Na2HPO4 mono basic, pH 4.8 완충용액으로 3배 희석하여 동일한 버퍼 (20 mM Na2HPO4 mono basic, pH 4.8 완충용액)로 평형화된 SP-sepharose column 에 주입하였다. 20 mM Na2HPO4 mono basic, 50 mM NaCl, pH 4.8 완충액으로 washing후 50~500 mM NaCl 염농도 구배로 용출하였다. SP-sepharose column으로부터 용출된 시스테인-도입 G-CSF 변이체의 PEG 접합체는 PEG가 반응하지 않은 시스테인-도입 G-CSF 변이체로부터 제거하기 위하여 크기 배제 크로마토그래피(size exclusion chromatography)를 수행하였다. 20mM Na2HPO4 mono basic, 100mM NaCl(pH4.0)완충용액으로 평형화시킨 슈퍼덱스 200(Superdex 200 (2.5 X 50 cm), Pharmacia사)에 상 기 SP-sepharose 용출액을 농축하여 주입하고 동일한 완충 용액으로 1 ㎖/분으로 용출시켰다. 분리된 시스테인-도입 G-CSF 변이체의 PEG 접합물의 순도는 SDS-PAGE 분석으로 측정하였다.
하기 표 1은 실시예 1 ~ 11 에서 제조된 시스테인-도입 변이체들의 회수율과 PEG 접합율을 나타낸다.
변이체
실시예 변이위치 변이체 회수율(%) maleimide-PEG 접합율(%)
1 Ala 128 Cys 0.01 0
2 Ala 130 Cys 8 3
3 Leu 131 Cys 30 3
4 Gln 132 Cys 50 35
5 Thr 134 Cys 50 70
6 Gln 135 Cys 40 70
7 Gly 136 Cys 18 0.01
8 Ala 137 Cys 62 30
9 Met 138 Cys 34 0.01
10 Ala 140 Cys 0.01 0
11 Ala 142 Cys 0.01 0
[본 발명의 표들에 있어서, 변이위치 란의 "아미노산(Ala) 번호(128) 아미노산(Cys)"는 128번 Ala 를 Cys 로 치환하는 것을 의미하고, 동일 방식으로 적용된다.]
[변이체 회수율은 상기 변이체에 PEG 접합을 위하여 상기 리폴딩 방법과 정제 방법으로 변이체를 얻는 과정의 수율을 의미한다. 즉 inclusionbody에 발현된 총 G-CSF변이체로부터 정제 과정을 통하여 얻게 되는 G-CSF 변이체의 비율을 의미한다.]
[PEG 접합율은 PEG 접합 반응에 투여한 총 G-CSF 변이체 중에서 PEG에 접합된 G-CSF의 비율을 의미한다]
[ 실시예 12 ~ 22] G- CSF 의 CD loop ( Gly 126 - Ser 143 ) 내 각 아미노산의 시스테인 치환 및 18번 시스테인의 세린 치환을 통한 G- CSF 변이체의 접합체 제조
상기 실시예 1 ~ 11 과 동일한 방법으로 실시하되, CD loop(Gly126 -Ser143) 내 시스테인(Cys) 치환 과 Cys 18 Ser 치환 모두를 포함하는 변이체를 제작하기 위하여 미리 제작된 Cys 18 Ser 치환 변이 균주로부터 시스테인-도입 변이를 수행하여 하였으며 Cys 18 Ser 치환 균주의 시스테인-도입 변이는 상기 방법과 동일한 과정으로 진행하였다.
하기 표 2은 실시예 12 ~ 22 에서 제조된 시스테인-도입 변이체들의 회수율과 PEG 접합율을 나타낸다.
변이체
실시예 변이위치 변이체 회수율(%) maleimide-PEG 접합율(%)
12 Ala 128 Cys, Cys 18 Ser 0.5 0
13 Ala 130 Cys, Cys 18 Ser 10 10
14 Leu 131 Cys, Cys 18 Ser 30 5
15 Gln 132 Cys, Cys 18 Ser 45 30
16 Thr 134 Cys, Cys 18 Ser 55 75
17 Gln 135 Cys, Cys 18 Ser 43 65
18 Gly 136 Cys, Cys 18 Ser 15 0.01
19 Ala 137 Cys, Cys 18 Ser 64 35
20 Met 138 Cys, Cys 18 Ser 30 0.01
21 Ala 140 Cys, Cys 18 Ser 0.01 0
22 Ala 142 Cys, Cys 18 Ser 0.01 0
[ 실시예 23 ~ 28] G- CSF 의 CD loop ( Gly 126 - Ser 143 ) 내 시스테인( Cys ) 삽입을 통한 G- CSF 변이체의 접합체 제조
상기 실시예 1 ~ 11 과 동일한 방법으로 실시하되, CD loop(Gly126 -Ser143) 내 시스테인(Cys) 삽입을 위하여, 분리된 G-CSF 발현 벡터(pGW2)의 G-CSF 유전자에 하기 표 3에 표시된 바와 같이 시스테인-도입 유전자가 포함된 상보성의 mutation primer (30-40 base pair 길이의 상보성 polynucleotide 2가닥)를 사용하여 분리된 G-CSF 발현 벡터를 template로 PCR을 수행하였다.
하기 표 3은 실시예 23 ~ 28 에서 제조된 시스테인-도입 변이체들의 회수율과 PEG 접합율을 나타낸다.
변이체
실시예 변이위치 변이체 회수율(%) maleimide-PEG 접합율(%)
23 130 Cys 131 45 45
24 131 Cys 132 40 20
25 134 Cys 135 45 0.01
26 135 Cys 136 50 37
27 136 Cys 137 75 85
28 137 Cys 138 25 15
[본 발명의 표들에 있어서, 변이위치 란의 "번호(130) 아미노산(Cys) 번호(131)"는 130번 과 131번 사이에 Cys이 삽입되는 것을 의미하고, 동일 방식으로 적용된다.]
[ 실시예 29 ~ 34] G- CSF 의 CD loop ( Gly 126 - Ser 143 ) 내 시스테인( Cys ) 삽입 및 18번 시스테인의 세린 치환을 통한 G- CSF 변이체의 접합체 제조
상기 실시예 23 ~ 28 과 동일한 방법으로 실시하되, CD loop(Gly126 -Ser143) 내 시스테인(Cys) 삽입과 Cys 18 Ser 치환 모두를 포함하는 변이체를 제작하기 위하여 미리 제작된 Cys 18 Ser 치환 변이 균주로부터 시스테인-도입 변이를 수행하여 하였으며 Cys 18 Ser 치환 균주의 시스테인-도입 변이는 상기 방법과 동일한 과정으로 진행하였다.
하기 표 4은 실시예 29 ~ 34 에서 제조된 시스테인-도입 변이체들의 회수율과 PEG 접합율을 나타낸다.
변이체
실시예 변이위치 변이체 회수율(%) maleimide-PEG 접합율(%)
29 130 Cys 131, Cys 18 Ser 50 40
30 131 Cys 132, Cys 18 Ser 45 15
31 134 Cys 135, Cys 18 Ser 55 0.01
32 135 Cys 136, Cys 18 Ser 40 43
33 136 Cys 137, Cys 18 Ser 85 70
34 137 Cys 138, Cys 18 Ser 23 20
도 2는 상기 실시예 33에서 제조된 G-CSF 변이체(M2_S)[18 Cys가 Ser로 치환, 136 Gly 과 137 Ala 사이에 시스테인(Cys)이 삽입]를 20 kDa PEG-maleimide 또는 30 kDa PEG-maleimide와 접합한 후 정제하여, SDS PAGE 로 분석한 결과로 단일 밴드임을 확인할 수 있다.
도 3은 상기 실시예 33에서 제조된 G-CSF 변이체(M2_S)[18 Cys가 Ser로 치환, 136 Gly 과 137 Ala 사이에 시스테인(Cys)이 삽입]의 20 kDa PEG접합 반응물의 SDS PAGE 이다. 도 3에 보이는 바와 같이, 시스테인 도입 G-CSF 변이체의 PEG-maleimide 접합반응은 도입된 시스테인에 특이적이어서 이당체 및 다당체의 생성 없이 단당량의 PEG가 접합된 G-CSF를 얻을 수 있었다.
[실험예 1] 시험관내(in vitro) 활성 측정
실시예 1 ~ 34 에서 제조된 시스테인-도입 G-CSF 변이체 PEG 접합물의 생물학적 활성을 필그라스팀 (대장균 유래 G-CSF)과 비교하였다. 활성측정은 인간 골수의 백혈병 세포주인 NFS-60 (ATCC X65622, murine myeloid leukemic cell line)의 세포증식을 통하여 수행하였다. NFS60 세포를 10%(v/v)의 소 태아 혈청과 WEHI-1640 세포주 배양액 5%를 포함하는 RPMI1640 배지에서 배양한 후, 약 2×105 세포/㎖이 되도록 10%(v/v)의 소 태아 혈청을 포함하는 RPMI 배지에 현탁하였다. 현탁된 세포 배양액을 96 well plate의 각 웰 에 50 ㎕씩 넣어서 웰 당 세포가 약 1×104 개가 되도록 분주하였다. Filgrastim및 상기 실시예에 따라 제조된 시스테인-도입 변이체들의 PEG 접합물을 BCA (Bicinconinic acid) 단백 정량 하여 15 ng/㎖ 되도록 10%(v/v)의 소 태아 혈청을 포함하는 RPMI 1640으로 희석하였고, 이를 다시 10%(v/v)의 소 태아 혈청을 포함하는 RPMI 1640에 3배씩 12 단계 희석하였다. 이렇게 만들어진 시료를 NFS60 배양 중인 각 웰에 100 ㎕씩 첨가하여, 배양액 내의 최종 시료 농도가 연속적으로 감소하여 10000 ~ 0.05 pg/ml 범위에 들도록 하였다. 37℃ 배양기에서 48시간 배양 후. 프로메가(PROMEGA)사의 CellTiter96 TM (Cat. No. G3580)을 이용하여 세포의 증가를 측정하였다.
하기 표 5는 실시예 1 ~ 34 에서 제조된 시스테인-도입 변이체들의 회수율과 maleimide-PEG 접합율 그리고 PEG 접합물의 생물학적 활성을 종합적으로 도시한 것이다.
변이체 회수율은 발현된 시스테인-도입 변이체가 봉입체(inclusionbody)로부터 PEG접합을 위해 정제된 수율을 나타내며 회수율이 높을수록 시스테인-도입 변이체의 안정성이 높다고 판단된다. PEG접합 비율은 정제된 시스테인 도입 변이체 중 PEG 접합 반응에 의해 PEG접합 된 비율을 나타내며 PEG 접합율이 높을수록 도입된 시스테인에 PEG 접합이 용이함을 의미한다. PEG 접합물의 NFS60 활성화율은 PEG접합물의 in vitro 생물학적 활성을 Filgrastim을 100%로 기준하여 표시한 것이다.
변이체
실시예 변이위치 변이체 회수율(%) maleimide-PEG 접합율(%) PEG 접합물의 NFS 60 활성화(%)[Filgrastim 100% 기준]
1 Ala 128 Cys 0.01 0 -
2 Ala 130 Cys 8 3 21
3 Leu 131 Cys 30 3 2
4 Gln 132 Cys 50 35 40
5 Thr 134 Cys 50 70 210
6 Gln 135 Cys 40 70 30
7 Gly 136 Cys 18 0.01 -
8 Ala 137 Cys 62 30 40
9 Met 138 Cys 34 0.01 -
10 Ala 140 Cys 0.01 0 -
11 Ala 142 Cys 0.01 0 -
12 Ala 128 Cys, Cys 18 Ser 0.5 0 -
13 Ala 130 Cys, Cys 18 Ser 10 10 21
14 Leu 131 Cys, Cys 18 Ser 30 5 5
15 Gln 132 Cys, Cys 18 Ser 45 30 45
16 Thr 134 Cys, Cys 18 Ser 55 75 230
17 Gln 135 Cys, Cys 18 Ser 43 65 45
18 Gly 136 Cys, Cys 18 Ser 15 0.01 -
19 Ala 137 Cys, Cys 18 Ser 64 35 55
20 Met 138 Cys, Cys 18 Ser 30 0.01 -
21 Ala 140 Cys, Cys 18 Ser 0.01 0 -
22 Ala 142 Cys, Cys 18 Ser 0.01 0 -
23 130 Cys 131 45 45 48
24 131 Cys 132 40 20 60
25 134 Cys 135 45 0.01 -
26 135 Cys 136 50 37 43
27 136 Cys 137 75 85 270
28 137 Cys 138 25 15 65
29 130 Cys 131, Cys 18 Ser 50 40 60
30 131 Cys 132, Cys 18 Ser 45 15 70
31 134 Cys 135, Cys 18 Ser 55 0.01 -
32 135 Cys 136, Cys 18 Ser 40 43 50
33 136 Cys 137, Cys 18 Ser 85 70 350
34 137 Cys 138, Cys 18 Ser 23 20 70
상기 표 5에서 보는 바와 같이 실시예 1, 10, 11, 12, 21 및 22의 시스테인-도입 변이체는 발현 및 정제가 용이하지 않았다. 발현과 정제가 용이한 시스테인-도입 변이체 중 18 Cys 이 Ser로 치환된 변이체는 18 Cys 을 그대로 유지한 변이체와 비교하여 생물학적 활성에 큰 차이가 없었다. 그러나 18 Cys를 그대로 유지한 시스테인-도입 변이체는 PEG 접합 후 생물학적 활성이 다소 낮아졌다. 이것은 Park 등의 보고 (대한민국 특허출원 제10-2003-0017606호)와 일치하는 결과로 Cys 18에 PEG 접합이 일어났기 때문인 것으로 판단된다.
상기 스크리닝(screening)과정을 거쳐, 본 발명에서는 PEG접합을 위해 G-CSF의 134 Thr 을 시스테인으로 치환한 G-CSF 변이체 (M1)와 136 Gly 과 137 Ala 사이에 시스테인을 삽입한 G-CSF 변이체 (M2) 그리고 부가적으로 18 Cys 가 Ser로 치환된 변이체로서 134 Thr 를 시스테인으로 치환한 G-CSF 변이체 (M1_S) 와 부가적으로 18 Cys가 Ser로 치환된 변이체로서 136 Gly 과 137 Ala 사이에 시스테인을 삽입한 G-CSF 변이체 (M2_S)를 최종 선별하였다. 그리고 선정된 M1, M1_S, M2, M2_S 변이체에 PEG가 접합된 접합물을 각각 20kDa PEG-M1, 20kDa PEG-M1_S, 20kDa PEG-M2, 20kDa PEG-M2_S 라 명명하였다.
[실험예 2] 약물동력학 측정
실험예 1에서 선정한 각각의 시스테인-도입 G-CSF 변이체에 20kDa PEG가 접합된 20kDa PEG-M1, 20kDa PEG-M1_S, 20kDa PEG-M2 및 20kDa PEG-M2_S의 혈청 (serum)내 잔존 시간을 측정하였다. 각 군당 5마리의 SD 랫트 (Male Sprague Dawly Rat, 6주령, 평균 200-250g)에게 필그라스팀 (대조군)과 상기 실시예에서 제조된 20kDa PEG-M1, 20kDa PEG-M1_S, 20kDa PEG-M2, 20kDa PEG-M2_S 및 필그라스팀을 100 ㎍/㎏이 되도록 피하 주사한 후, 0.5, 1, 2, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 30, 36, 48, 60, 72, 96, 120, 144 및 168 시간 후에 채혈하였다. 혈액시료는 1시간 상온에서 응고시킨 후, 마이크로 원심분리기에서 10000 rpm에서 5분간 원심 분리하여 세포를 제거하였다. 혈장 내 G-CSF 양은 단일항체를 이용한 ELISA 방법으로 측정하였다.
그 결과, 각 시험군과 대조군의 혈중 반감기는 하기 표 6과 같았다.
대조구 실시예 실시예 실시예 실시예
필그라스팀 20kDa PEG-M1 20kDa PEG-M1_S 20kDa PEG-M2 20kDa PEG-M2_S
혈중반감기 (T1 /2, hr) 1.9 7.9 8.2 8.9 9.7
도 4는 본 발명에 따라 제조된 인간 과립구콜로니자극인자변이체와 PEG 접합물의 체내 약물동력학 (Pharmacokinetics) 측정 결과이다.
상기 표 6과 도 4의 약물동력학 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 선정된 20kDa는 Filgrastim보다 혈중 안정성이 증가하여 필그라스팀에 비해 4.2 -5.1배 증가된 체내 반감기를 나타내었다. 이러한 결과는 시스테인-도입 G-CSF 변이체의 20kDa PEG 접합체들이 필그라스팀보다 체내에서 활성을 지속적으로 유지하여 치료 효과를 향상시킬 수 있음을 의미한다.
[실험예 3] 약물 약동학 측정
실험예 1에서 선정한 20kDa PEG-M1, 20kDa PEG-M1_S, 20kDa PEG-M2, 20kDa PEG-M2_S의 호중구 활성화 능력을 측정하였다. 각 군당 5마리의 SD 랫트 (Male Sprague Dawly Rat, 6주령, 평균 200-250g)에게 필그라스팀과 20kDa PEG-M1, 20k Da PEG-M1_S, 20kDa PEG-M2, 20kDa PEG-M2_S을 100 ㎍/㎏ 용량으로 피하주사하였으며 시간별로 eye-bleeding 한 후, 혈 중 호중구 수를 측정하였다. 측정은 CELL-DYN 3700기기를 이용하였다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 인간 과립구콜로니자극인자변이체와 PEG 접합물의 체내 호중구 활성화 능력을 비교한 약물약동학 (Pharmacodynamics) 측정 결과이다.
도 5에 보이는 바와 같이, Filgrastim에 비해 20kDa PEG-M1, 20kDa PEG-M1_S, 20kDa PEG-M2, 20kDa PEG-M2_S 의 호중구 활성화 능력이 매우 증가 되었다.
본 발명의 G-CSF 변이체 및 이의 화학적 접합체는 G-CSF의 특정위치에 시스테인(cysteine)을 도입하여, PEG 등과 같은 생체적합성 고분자와 특이적 접합이 용이하고, 이러한 생체적합성 고분자 접합에 의해 생물학적 활성의 감소 없이 체내 잔류 시간이 증가되어 궁극적으로 생체 내 활성이 오래 유지되는 시스테인(cysteine)-도입된 G-CSF 변이체 및 이러한 변이체의 생체적합성 고분자 접합물을 제공하는 효과가 있으며, 상술한 바와 같이, 약물동력학에서 Filgrastim보다 혈중 안정성이 증가하여 필그라스팀에 비해 4.2 -5.1배 증가된 체내 반감기를 나타내어 활성을 지속적으로 유지하여 치료 효과를 향상시키며, 약물약동학 (Pharmacodynamics)에서 필그라스팀에 비해 호중구 활성화 능력이 매우 우수한 효과를 제공한다.
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  7. 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 135번 위치의 글리신(Gly)잔기와 136번 위치의 알라닌(Ala)잔기 사이에 시스테인(Cys)잔기가 삽입된 서열번호 5의 인간 과립구콜로니자극인자 변이체.
  8. 서열번호 1의 아미노산 서열을 포함하는 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF)의 135번 위치의 글리신(Gly)잔기와 136번 위치의 알라닌(Ala)잔기 사이에 시스테인(Cys)잔기가 삽입되어 있는 서열번호 5의 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 상기 삽입된 시스테인(Cys)잔기에 생체적합성고분자가 수식된 것인 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체.
  9. 제8항에 있어서, 인간 과립구콜로니자극인자(G-CSF) 변이체의 17번 시스테인(Cys)잔기가 세린(Ser)잔기로 치환된 서열번호 6의 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 생체적합성고분자는 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리카르복실산 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상과 말레이미드(maleimide), 비닐설폰(vinyl sulfone), 이오도아세트아미드(iodacetamide) 및 오르토피리딜 디설파이드(orthopyridyl disulfide)로 이루어진 군에서 선택된 1종이 상호 결합한 것인 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 생체적합성고분자가 2 내지 100 kDa의 분자량을 가지는 것인 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜(PEG)이 5 내지 100 kDa의 분자량을 가지는 것인 인간 과립구콜로니자극인자 변이체의 접합체.
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