[0001] Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren, welches den Transport von DNA und/oder
anderen biologisch aktiven Molekülen mit Hilfe elektrischen Stroms bis in den Kern
höherer eukaryontischer Zellen, unabhängig von der Zellteilung und mit geringer Zellmortalität
ermöglicht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Zeit zwischen Transfektion
und Analyse der Zellen verkürzt, was zu einer erheblichen Beschleunigung der Experimente
führt. Es werden optimierte elektrische Impulse beschrieben, die für die Kernlokalisation
von DNA und/oder anderen biologisch aktiven Molekülen verwendet werden können.
Hintergrund
[0002] Da der Wirkungsort von eukaryontischer DNA der Zellkern ist, muss von außen zugegebene
DNA in den Kern gelangen, um abgelesen zu werden. Herkömmliche Transfektionsmethoden
bewirken nur einen Transport von DNA durch die Zellmembran ins Zytoplasma. Nur weil
bei der Zellteilung höherer Eukaryonten die Kernhülle vorübergehend aufgelöst wird,
kann die DNA passiv in den Kern gelangen, so dass von ihr kodierte Proteine exprimiert
werden können. Nur sehr kleine DNA-Moleküle (Oligonukleotide) können frei durch die
Poren der Kernhülle diffundieren. Zur effektiven Transfektion ruhender oder schwach
teilungsaktiver Zellen müssen also Bedingungen geschaffen werden, die dazu führen,
dass auch größere DNA-Moleküle in ausreichender Menge durch die geschlossene Kemmembran
in den Kern gelangen. Die hier beschriebene Methode ermöglicht dies in höheren eukaryontischen
Zellen.
Stand der Technik
[0003] Es ist seit langem bekannt, dass man mit Hilfe elektrischen Stroms DNA aus einem
Puffer in Zellen einbringen kann. Die bisher beschriebenen Versuchsbedingungen beschränken
sich allerdings auf den Transport von DNA ins Zytoplasma höherer eukaryontischer Zellen,
so dass die Expression transfizierter DNA von der Auflösung der Kernhülle während
der Zellteilung abhängig bleibt. Keines der bisher bekannten Verfahren befasst sich
damit, DNA elektrisch gezielt in den Kern höherer eukaryontischer Zellen zu bringen.
Ein System, das auf elektrischen Kerntransport unabhängig von der Zellteilung optimiert
ist, ist bisher nicht bekannt.
[0004] Die Entwicklung der Elektroporation geht auf die Beobachtung zurück, dass biologische
Membranen durch die Wirkung kurzer elektrischer Impulse kurzzeitig durchlässiger werden
(Neumann & Rosenheck 1972). Auer et al. beschrieben 1976 die Aufnahme von DNA in rote
Blutkörperchen durch elektrischen Strom.
[0005] Der erste Bericht über Elektroporation von Zellinienzellen stammt aus dem Jahr 1982
(Neumann et al.). Mit kurzen Impulsen der Feldstärke 8 kV/cm und einer Dauer von je
5 µs, von denen meist drei in Abständen von drei Sekunden hintereinandergeschaltet
wurden, wurde eine Maus-Fibroblastenzellinie transfiziert. Eine Analyse erfolgte nach
2 Wochen. Elektrischer Kerntransport wurde nicht beobachtet.
[0006] Durch Kurzschließen eines Transformators wurde durch Potter et al. (1984) ebenfalls
eine Feldstärke von 8 kV/cm erzeugt und zur Transfektion von Zellinienzellen eingesetzt,
allerdings war die Stromstärke auf max. 0,9 A begrenzt. Auch hier wurde kein elektrischer
Kemtransport beobachtet.
[0007] Im weiteren Verlauf der Entwicklung wurden zunehmend längere Entladungen mit geringeren
Spannungen eingesetzt, da sich gezeigt hatte, dass für eine optimale Porenöffnung
der Zellmembran (bei einem mittleren Zelldurchmesser von 10-20 µm) eine Feldstärke
von ca. 1 kV/cm ausreichend ist. So sind die meisten käuflichen Geräte für die Elektroporation
höherer eukaryontischer Zellen und die mitgelieferten Protokolle auf Transfektionen
bei diesen Feldstärken optimiert.
[0008] In einem Fall (Bertling et al., 1987) wurde die Kinetik der Verteilung der DNA in
Zytoplasma und Kern in einer teilungsaktiven Zellinie verfolgt. Abgesehen von einer
Erhöhung der DNA-Konzentration wurde hier jedoch kein Versuch unternommen, die frühe
Aufnahme von DNA in den Kern zu verbessern. Es wurde insbesondere nicht untersucht,
ob die elektrischen Parameter einen Einfluss haben könnten.
[0009] Seit 1986 wurden Patente angemeldet, die sich auf Elektroporation als Transfektionsverfahren
beziehen. In diesen werden vor allem Gerätekonstruktionen und Impulsformen beschrieben.
Keines greift das Problem des Transportes von DNA in den Kern außerhalb der Mitose
auf.
[0010] US 4,750,100 der Firma Bio-Rad Laboratories, Richmond, USA (1986), beschreibt einen
bestimmten Geräteaufbau, der durch eine Kondensatorenentladung maximal 3000 V bei
maximal 125 A bereitstellen kann.
[0011] US 5,869,326 (Genetronics, Inc., San Diego, USA, 1996) beschreibt einen bestimmten
Geräteaufbau, durch den mit Hilfe zweier getrennter Stromquellen zwei, drei oder mehrere
Impulse erzeugt werden können. US 5,869,326 zeigt aber nicht, dass diese Impulse eine
über den Transport von DNA ins Zytoplasma hinausgehende Wirkung haben.
[0012] US 6,008,038 und EP 0 866 123 A1 (Eppendorf-Netheler-Hinz GmbH, Hamburg, 1998) beschreiben
ein Gerät, mit dem kurze Impulse von 10-500 µs und maximal 1,5 kV erzeugt werden können,
geben aber wieder keinerlei Hinweis darauf, dass bestimmte Bedingungen dazu führen
könnten, DNA in den Kern zu befördern.
[0013] Aus der WO 91/18103 A1 ist ein Verfahren zum Einbringen von DNA in Rattenzellen bekannt,
bei dem die DNA durch einen ersten Impuls mit einer Feldstärke von 750 V/cm und einem
zweiten Impuls mit einer Feldstärke von 250 V/cm in die Zellen eingebracht wird. Es
werden ferner entsprechende Verfahren für Hefe- und Bakterienzellen beschrieben, bei
denen für den ersten Impuls höhere Feldstärken von 7.500 V/cm bzw. 12.500 V/cm verwendet
werden.
[0014] Kim et al. (1991) beschreiben ein Verfahren zur Einbringung von Proteinen in CHO-Zellen,
bei dem die Elektroporation bei einer Feldstärke von 5.000 V/cm mit einer gleichzeitigen
Zentrifugation kombiniert wird.
[0015] De Chasseval und de Villartay (1991) beschreiben ein Verfahren zur Transfektion von
Zelllinien, die mit einem ersten Impuls von 1.000 V bei einer Zeitkonstante von 800
µsec und einem zweiten Impuls von 150 V bei einer Zeitkonstante von 40 msec durchgeführt
wird.
[0016] Die bisher bekannten Verfahren ermöglichen aber nicht den effektiven Transport von
DNA und/oder anderen biologisch aktiven Molekülen in den Zellkern höherer eukaryontischer
Zellen bei geringer Mortalität der Zellen.
[0017] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen,
welches den effizienten Transport von DNA und/oder anderen biologisch aktiven Molekülen
in den Zellkern höherer eukaryontischer Zellen bei geringer Zellmortalität unabhängig
von der Zellteilung ermöglicht und das die Zeit zwischen Transfektion und nachfolgender
Analyse der transfizierten Zellen erheblich verkürzt.
[0018] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das
Einbringen in den Kern primärer Zellen unabhängig von der Zellteilung durch einen
Impuls mit einer Feldstärke von 2-10 KV/cm und einer Dauer von mindestens 10 µs und
einer Stromstärke von mindestens 1A erreicht wird.
[0019] In der vorliegenden Anmeldung werden zum ersten Mal spezifische elektrische Bedingungen
beschrieben, die effizient Kerntransport von DNA in primäre Zellen unabhängig von
der Zellteilung vermitteln, und solche Entladungen und
[0020] Ströme, die dabei eine besonders geringe Zellmortalität bewirken. Auf geringe Zellmortalität
optimierte Puffer und experimentelle Vorgehensweisen werden ebenfalls beschrieben.
Beschreibung der Erfindung
[0021] Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden sehr hohe Feldstärken von 2 bis 10 kV/cm
und eine Stromstärke von mindestens 1A für eine Dauer von mindestens 10 µs dazu genutzt,
dass DNA und/oder andere biologisch aktive Moleküle unabhängig von der Zellteilung
in den Kern primärer Zellen gelangen können. Diese Feldstärken liegen weit über den
für Elektroporation üblichen und weit jenseits der Feldstärken, die für effiziente
Öffnung von Poren in der Zellmembran ausreichend sind (durchschnittlich 1 kV/cm laut
Lurquin, 1997). Wahrscheinlich führen die verwendeten hohen Spannungen zu einer Porenbildung
in den beiden Membranen der Kernhülle, oder die vorhandenen Kernporenkomplexe werden
durchlässiger für Moleküle, so dass ein sehr effektiver Transport der biologisch aktiven
Moleküle in den Zellkern ermöglicht wird. Der Impuls muss dabei eine Dauer von mindestens
10 µs aufweisen, um einen Kemtransporteffekt zu erzielen.
[0022] Der Begriff "biologisch aktive Moleküle" umfasst dabei Nukleinsäuren, Peptide, Proteine,
Polysaccharide, Lipide oder Kombinationen oder Derivate dieser Moleküle, solange sie
in der Zelle eine biologische Aktivität entfalten.
[0023] Das Einbringen von Nukleinsäuren, Peptiden, Proteinen und/oder anderen biologisch
aktiven Molekülen in den Zellkern kann dabei vorzugsweise durch einen Impuls mit einer
Feldstärke von 3-8 kV/cm erreicht werden, wobei der Impuls in vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung maximal 200 µs lang sein sollte. Bei einer Spannung von 1 -2 V über
eine Zelle kommt es zur effizienten reversiblen Porenöffnung in der Zellmembran (Zimmermann
et al., 1981). Das entspricht bei einem Zelldurchmesser von 10 - 20 µm durchschnittlich
1 kV/cm. Eine deutlich höhere Spannung sollte schon bei Pulsdauern von weniger als
1 ms zu einem irreversiblen Membranzusammenbruch führen (Zimmermann et al., 1981),
wozu es aber bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht kommt. Besonders
bevorzugt ist es, im erfindungsgemäßen Verfahren die Pulsdauer mit maximal 200 µs
so kurz zu halten, dass auch bei 2-10 kV/cm, vorzugsweise 3-8 kV/cm, keine wesentlichen
irreversiblen Membranschädigungen auftreten können, aber lang genug zu wählen, um
dennoch einen Kerntransporteffekt zu erzielen.
[0024] In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens folgt auf den Impuls ohne Unterbrechung
ein Stromfluss von 1 A bis maximal 2,5 A von 1 ms bis max. 50 ms Länge.
[0025] Die Transfektion durch elektrischen Strom beruht auf-zwei Effekten: der Elektropermeation
der Zellmembran und der Elektrophorese von DNA durch die entstandenen Membranporen.
Die beschriebenen Elektroporationsimpulse erfüllen unabhängig von ihrer Entstehung
und ihrer genauen Form beide Bedingungen meist so, dass zu Beginn des Impulses eine
Spannung vorliegt, die hoch genug ist, um Poren in der Zellmembran des jeweiligen
Zelltyps zu öffnen, und der weitere Verlauf des Impulses ausreichend für DNA-Elektrophorese
ist.
[0026] In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden zum Transport
von DNA und/oder anderen biologisch aktiven Molekülen durch die Kernmembran in den
Kern zu Anfang des Impulses für 10-200 µs Feldstärken von 2-10 kV/cm verwendet, wobei
die anschließende Elektrophorese unter üblichen Bedingungen stattfindet.
[0027] Durch die Kürze des starken Impulses und die geringe Stärke und/oder Kürze des folgenden
Stromflusses ist die Transfektion mit elektrischem Kerntransport trotz der sehr hohen
Spannungen zu Beginn auf eine hohe Überlebensrate der Zellen optimiert. Dabei kann
je nach Typ der primären Zellen eine Feineinstellung erfolgen. Da der kurze, sehr
hohe Spannungsimpuls auch zur Elektrophorese der DNA beitragen kann, ermöglicht er
bei einigen Zelltypen auch, dass der anschließende Stromfluss stark reduziert oder
völlig weggelassen werden kann.
[0028] In einer bevorzugten Version wird eine mit Puffer, Zellen und Nukleinsäuren (und
u. U. weiteren biologisch aktiven Molekülen) gefüllte Küvette zunächst einem kurzzeitigen
Impuls (von 10-200 µs Länge) mit einer Feldstärke von 2-10 kV/cm ausgesetzt, dem dann
ein Strom von maximal 2,5 A für 1 bis zu 50 ms folgt.
[0029] In einer bevorzugteren Version wird eine mit Puffer, Zellen und Nukleinsäuren (und
u. U. weiteren biologisch aktiven Molekülen) gefüllte Küvette zunächst einem kurzzeitigen
Impuls (von 10-100 µs Länge) mit einer Feldstärke von 3-8 kV/cm ausgesetzt, dem dann
ohne Unterbrechung ein Strom von maximal 2,2 A für 1 bis zu 30 ms folgt.
[0030] Da diese Transfektionsmethode unabhängig von der Zellteilung ist, können damit neben
teilungsaktiven Zellen auch ruhende oder schwach teilungsaktive primäre Zellen transfiziert
werden.
[0031] Erfindungsgemäß werden primäre Zellen, wie beispielsweise periphere menschliche Blutzellen
transfiziert, wobei es sich bevorzugt um T-Zellen, B-Zellen oder pluripotente Vorläuferzellen
des menschlichen Blutes handelt.
[0032] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform umfasst primäre humane Knochenmarkszellen.
[0033] Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren transfizierten primären eukaryontischen
Zellen können für diagnostische Verfahren und zur Herstellung eines Arzneimittels
zur
ex vivo-Gentherapie verwendet werden.
[0034] Bei teilungsaktiven primären Zellen und Zellinien läßt sich die Transfektionseffizienz
steigern, da die DNA nicht bis zur Zellteilung im Zytoplasma verbleiben muss, wo sie
degradiert werden könnte, und da auch die Zellen, die sich bis zur Analyse nicht geteilt
haben, analysiert werden können.
[0035] Außerdem wird eine Analyse schon sehr kurz nach der Transfektion möglich, was zu
einer erheblichen Beschleunigung der Experimente führt. Bei Transfektionsexperimenten
mit Expressionsvektoren ist eine Analyse je nach Promotor und exprimiertem Protein
schon ab ca, 2h nach der Transfektion möglich. Durch die sehr kurze Verweildauer transfizierter
DNA im Zytoplasma ist die DNA dort außerdem kaum der Wirkung von Nukleasen ausgesetzt.
[0036] Mit elektrischem Kerntransport lassen sich in teilungsaktiven Zellen größere Mengen
an DNA in den Kern befördern, als allein aufgrund von Zellteilung zu erwarten ist.
Beides erhöht deutlich die Wahrscheinlichkeit einer Integration vollständiger Expressionskasetten.
[0037] Mit dem Begriff "elektrischer Kerntransport" ist der Transport von biologisch aktiven
Molekülen in den Kern höherer eukaryontischer Zellen gemeint, der unabhängig von der
Zellteilung ist und durch elektrischen Strom verursacht wird.
[0038] Das biologisch aktive Molekül, das in den Zellkern eingebracht werden soll, ist dabei
bevorzugt eine Nukleinsäure, insbesondere DNA, oder weist vorzugsweise zumindest einen
Nukleinsäure-Anteil auf.
[0039] Die Nukleinsäuren können dabei auch im Komplex oder in Verbindung mit Peptiden, Proteinen,
Polysacchariden; Lipiden oder Kombinationen oder Derivaten dieser Moleküle vorliegen:
Die mit der Nukleinsäure komplexierten oder verbundenen Moleküle dienen der Integration
der transferierten Nukleinsäure ins Genom der Zelle, der intranukleären Lokalisation
oder Retention, der Assoziation mit dem Chromatin oder der Regelung der Expression.
[0040] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die mit der Nukleinsäure komplexierten
Moleküle, die der Integration der transferierten Nukleinsäure ins Genom der Zelle
dienen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend retrovirale Integrasen, prokaryontische
Transposasen, eukaryontische Transposasen, sequenzspezifische Rekombinasen, Topoisomerasen,
E.
coli RecA,
E.
coli RecE,
E.
coli RecT, Phage λ Red α, Phage λ Red β und Phage λ Terminase.
[0041] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die mit der Nukleinsäure
komplexierten oder verbundenen Moleküle, die der intranukleären Retention oder der
Assoziation mit dem Chromatin dienen, Domänen des EBV-Proteins EBNA-1. Zu diesen Domänen
zählen die Aminosäuren 8-54 und/oder 72-84 oder 70-89 und/oder 328-365 des EBNA-1-Proteins
(Marechal et al., 1999).
[0042] Ein Puffer, der sich zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren eignet, ist "Puffer
1" mit folgender Zusammensetzung: 0,42 mM Ca(NO
3)
2; 5,36 mM KCl; 0,41 mM MgSO
4; 103 mM NaCl; 23,8 mM NaHCO
3; 5,64 mM Na
2HPO
4; 11,1 mM D(+)-Glucose; 3,25 µM Glutathion; 20 mM Hepes; pH 7,3.
[0043] Zur Einbringung von Nukleinsäuren in den Zellkern eukaryontischer Zellen kann nach
folgendem Protokoll vorgegangen werden: 1 x 10
5 - 1 x 10
7 Zellen und bis zu 10 µg DNA werden in 100 µl Puffer 1 in einer Küvette mit 2 mm Elektrodenabstand
für 10 min. bei Raumtemperatur inkubiert und dann gemäß den erfindungsgemäßen Bedingungen
transfiziert. Sofort danach werden die Zellen mit 400 µl Zellkulturmedium ohne Serum
aus der Küvette gespült und für 10 min. bei 37°C inkubiert. Danach werden die Zellen
in 37°C warmem Zellkulturmedium (mit . Serum) ausplattiert.
[0044] Elektrischer Kerntransport von Proteinen kann beispielsweise nach folgendem Protokoll
erfolgen: Bis zu 10 µg Protein werden in 100 µl geeignetem Puffer gemäß den erfindungsgemäßen
Bedingungen in 1 x 10
5 - 1 x 10
7 Zellen transfiziert. Sofort danach werden die Zellen mit 400 µl Zellkulturmedium
ohne Serum aus der Küvette gespült und für 10 min. bei 37°C inkubiert. Danach werden
die Zellen in 37°C warmem Zellkulturmedium (mit Serum) ausplattiert und nach bis zu
6 h Inkubation analysiert.
[0045] Geeignete Küvetten sind beispielsweise solche mit einem Elektrodenabstand von 2 mm
oder 1 mm, wie etwa handelsübliche Küvetten für die Elektroporation von Prokaryonten.
[0046] Die verwendeten Abkürzungen besitzen erfindungsgemäß die folgende Bedeutung:
[0047] Außer den im Duden gebräuchlichen Akkürzungen wurden folgende Abkürzungen verwendet:
- FACS
- Flurorescence activated cell sorting
- FCS
- foetales Kälberserum
- h
- Stunde
- kV
- Kilovolt
- ms
- Millisekunde
- µs
- Mikrosekunde
- PBMC
- periphere mononukleäre Blutzellen
- PE
- Phycoerythrin
Abbildungen
[0048] Die Erfindung wird weiterhin durch die folgenden Abbildungen erläutert:
Abbildung 1(a) und 1(b) zeigen die Transfektionseffizienz von T-Helferzellen in Abhängigkeit
von der Feldstärke bei einem Impuls von 40µs Länge (a) und in Abhängigkeit von der
Impulszeit bei 5 kV/cm (b).
Abbildung 2 (a) und (b) zeigen die Transfektionseffizienz von T-Helferzellen nach
einem Impuls von 5 kV/cm für 40 µs, an den sich ohne Unterbrechung ein Stromfluss
unterschiedlicher Stärke und Dauer anschliesst.
Abbildung 3 zeigt die FACScan-Analyse von mit dem H-2Kk-Expressionsvektor transfizierten PBMC. Die Zellen wurden nacheinander mit Digoxygenin-gekoppeltem
anti-H-2Kk-Antikörper und Cy5-gekoppeltem anti-Digoxygenin-Antikörper, sowie zur Identifikation
der T-Helferzellen mit einem Phycoerythrin (PE)-gekoppelten anti-CD4-Antikörper, inkubiert
und durchflusszytometrisch analysiert. Mit Propidiumiodidfärbung wurde die Anzahl
toter Zellen bestimmt (nicht gefärbter Fluoreszenzkanal FL3) (SSC= side scatter; FSC=
forward scatter).
Abbildung 4 stellt eine FACScan-Analyse des elektrischen Kemtransportes in primären
(teilungsaktiven) Endothelzellen aus humaner Nabelschnur (HUVEC) dar, die durch einen
70 µs-Impuls von 5 kV/cm, gefolgt von einem Stromfluss von 2,2 A für 10 ms transfiziert
wurden. Die Zellen wurden nach 4 h nacheinander mit Digoxygenin-gekoppeltem anti-H-2Kk-Antikörper und Cy5-gekoppeltem anti-Digoxygenin-Antikörper, sowie Propidiumiodid
(nicht gefärbte Fluoreszenzkanäle FL2 und FL3) inkubiert und durchflusszytometrisch
(FACScan) analysiert (SSC= side scatter; FSC= forward scatter).
Abbildung 5 zeigt eine FACscan-Analyse des elektrischen Kerntransports in einer Zellinie
(He-La), 3 Stunden nachdem diese durch einen 100 µs Impuls von 4 kV/cm mit einem H-2Kk-Expressionsvektor transfiziert wurde. Die Zellen wurden nach 4 h nacheinander mit
Digoxygenin-gekoppeltem anti-H-2Kk-Antikörper und Cy5-gekoppeltem anti-Digoxygenin-Antikörper, sowie Propidiumiodid
(nicht gefärbte Fluoreszenzkanäle FL2 und FL3) inkubiert und durchflusszytometrisch
(FACScan) analysiert (SSC= side scatter; FSC= forward scatter).
Abbildung 6 zeigt den elektrischen Kemtransport eines Transkriptionsaktivatorproteins
(HPV 18-E2) anhand der Analyse seiner Wirkung auf ein Reporterkonstrukt (pC18Sp1luc)
in HeLa-Zellen. Die Messung erfolgte 6 Stunden, nachdem Protein und Plasmid durch
einen 100 µs Impuls von 4 kV/cm in die Zellen eingebracht wurden.
Abbildung 7 zeigt zwei Diagramme durchflusszytometrischer Messungen des elektrischen
Kerntransports von DNA-Lac-Repressor-Komplexen in CHO-Zellen, 5 ½ Stunden nachdem
diese durch einen 70 µs Impuls von 5 kV/cm, ohne Unterbrechung gefolgt von einem Stromfluss
von 2,2 A und 60 ms mit dem DNA-Protein-Komplex transfiziert wurden.
Abbildung 8 zeigt zwei Diagramme durchflusszytometrischer Analysen des elektrischen
Kerntransports von Peptid-DNA-Komplexen in CHO- und K562-Zellen. Die Komplexe wurden
in CHO-Zellen durch einen Impuls von 5 kV/cm für 70 µs, gefolgt von einem Stromfluss
von 2,2 A für 40 ms und in K562-Zellen durch einen Impuls von 5 kV/cm für 100 µs,
gefolgt von einem Stromfluss von 5 A für 10 ms eingebracht. Vier Stunden nach der
Transfektion erfolgte die Analyse.
Beispiele
[0049] Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung, sind jedoch nicht begrenzend
aufzufassen.
Beispiel 1
Elektrischer Kerntransport in Abhängigkeit von der Feldstärke und der Impulszeit
[0050] Frisch aufbereitete unstimulierte (teilungsinaktive) mononukleäre Zellen aus peripherem
menschlichem Blut (PBMC) wurden mit einem Vektor, der für die schwere Kette des Maus
MHC Klasse I Proteins H-2Kk kodiert, transfiziert. 1 x 10
6 Zellen wurden mit 10 µg Vektor-DNA in Puffer 1 bei Raumtemperatur in eine Küvette
mit 2 mm Elektrodenabstand gegeben und unter den angegebenen Bedingungen transfiziert.
Unmittelbar danach wurden die Zellen mit 500 µl RPMI-Medium (ohne foetales Kälberserum,
FCS) aus der Küvette gespült, für 10 min. bei 37 °C inkubiert und dann in eine Kulturschale
mit vorgewärmtem Medium (mit FCS) überführt. Nach 5 h Inkubation wurden die Zellen
nacheinander mit Digoxygenin-gekoppeltem anti-H-2Kk-Antikörper und Cy5-gekoppeltem
anti-Digoxygenin-Antikörper, sowie zur Identifikation der T-Helferzellen mit einem
Phycoerythrin (PE)-gekoppelten anti-CD4-Antikörper, inkubiert und durchflusszytometrisch
(FACScan) analysiert. Durch Färbung mit Propidiumiodid wurde die Anzahl toter Zellen
bestimmt.
Abbildung 1 zeigt die Transfektionseffizienz von T-Helferzellen in Abhängigkeit von
der Feldstärke bei einem Impuls von 40 µs Länge (a) und in Abhängigkeit von der Impulszeit
bei 5 kV/cm (b).
Beispiel 2
Erhöhung der Effizienz des elektrischen Kemtransportes durch einen an den Impuls anschlleßenden
Stromfluss
[0051] Frisch aufbereitete unstimulierte PBMC wurden wie in Bsp. 1 beschrieben mit einem
H-2Kk-Expressionsvektor transfiziert. Auf einen Impuls von 5 kV/cm für 40 µs folgte
ohne Unterbrechung ein Stromfluss unterschiedlicher Stärke und unterschiedlicher Dauer.
Nach 5 h Inkubation wurden die Zellen wie in Bsp.1 analysiert und die Transfektionseffizienz
von T-Helferzellen bestimmt (Abb. 2).
Beispiel 3
Transfektion von PBMC
[0052] Frisch aufbereitete unstimulierte PBMC wurden wie in Bsp. 1 beschrieben mit einem
H-2Kk-Expressionsvektor durch einen 40 µs-Impuls von 5 kV/cm, gefolgt von einem Stromfluss
von 2,2 A für 20 ms transfiziert und wie in Bsp. 1 analysiert.
[0053] Abb. 3 zeigt die Analyse des Anteils transfizierter Zellen in der CD4-positiven und
der CD4-negativen Fraktion der PBMC. 36 % der CD4+ Zellen und 19 % der CD4- Zellen
exprimieren die transfizierte DNA. Von der Mortalitätsrate, die 26 % beträgt, sind
drei Viertel auf die Transfektionsprozedur zurückzuführen.
Beispiel 4
Elektrischer Kerntransport in primären (teilungsaktiven) Endothelzellen aus humaner Nabelschnur (HUVEC)
[0054] HUVEC wurden wie in Bsp. 1 beschrieben mit einem H-2Kk-Expressionsvektor durch einen
70 µs-Impuls von 5 kV/cm, gefolgt von einem Stromfluss von 2,2 A für 10 ms transfiziert
und nach 4 h nacheinander mit Digoxygenin-gekoppeltem anti-H-2Kk-Antikörper und Cy5-gekoppeltem
anti-Digoxygenin-Antikörper, sowie Propidiumiodid inkubiert und durchflusszytometrisch
(FACScan) analysiert.
[0055] Wie in Abbildung 4 gezeigt, exprimieren 58 % der Zellen die transfizierte DNA, bei
einer Mortalität von 32 %. Wenn bei einer Teilungsdauer von 24 h in 100 % der Zellen
durch Transfektion DNA ins Zytoplasma gelangt wäre und man eine Regenerationsphase
nach der Transfektion unberücksichtigt läßt, könnten nach 4h in maximal 16 % der Zellen
durch Auflösen der Kernhülle DNA in den Kern gelangt sein.
Beispiel 5
Elektrischer Kerntransport in einer Zellinie (HeLa)
[0056] Hela-Zellen wurden wie in Bsp. 4 beschrieben durch einen 100 □s Impuls von 4 kV/cm
transfiziert und nach 3 h analysiert. Wie in Abbildung 5 gezeigt, exprimieren 28 %
der Zellen die transfizierte DNA, bei einer Mortalität von 5,5 %. Wenn bei einer Teilungsdauer
von 24h in 100 % der Zellen durch Transfektion DNA ins Zytoplasma gelangt wäre und
man eine Regenerationsphase nach der Transfektion unberücksichtigt läßt, könnten nach
3h in maximal 12,5 % der Zellen durch Auflösen der Kernhülle DNA in den Kern gelangt
sein.
Beispiel 6
Transfektionseffizienzen verschiedener unstimulierter primärer Zellen und Zellinien
[0057] 1 x 10
6 PBMC, andere primäre Zellen oder Zellinienzellen wurden mit der in Bsp. 1 beschriebenen
Vorgehensweise mit verschiedenen Expressionsvektoren und mit den angegebenen Einstellungen
analog zu Bsp.1 transfiziert. Bei der folgenden durchflusszytometrischen Analyse (FACScan)
wurden die unterschiedlichen Subpopulationen durch spezifische Antikörper identifiziert.
In nachfolgender Tabelle 1 sind die durchschnittlichen Transfektionseffizienzen angegeben.
Für die Analyse der Transfektion von CD34
+ Vorläuferzellen wurden 2,5-5 x 10
6 PBMC transfiziert. Eine erste Analyse der Transfektionseffizienzen wurde nach 3,5
h durchgeführt, weil sich in dieser Zeitspanne keine bzw. bei Zellinien nur wenige
Zellen geteilt haben. Mit einem Stern (*) markierte Werte wurden auch 3 Tage nach
der Transfektion ermittelt und lagen auf der gleichen Höhe wie die 24 h-Werte.
Beispiel 7
Elektrischer Kerntransport von HPV18-E2 - Protein in HeLa - Zellen
[0058] Der elektrische Kemtransport von Proteinen kann beispielsweise durch die gleichzeitige
Transfektion von Transkriptionsaktivator-Proteinen und Reporterkonstrukten, deren
Expression durch die bindenden Aktivator-Moleküle im Zellkern angeschaltet werden
kann, gezeigt werden. HeLa-Zellen wurden zu diesem Zweck mit dem pC18Sp1luc-Vektor,
einem Plasmid, das neben einer Lumineszenz-Reportersequenz auch vier Bindungsstellen
für den Papillomvirus-Transkriptionsaktivator HPV18-E2 vor der Promotor-Sequenz enthält,
und gereinigtem HPV18-E2 - Protein transfiziert. 1 x 10
6 Zellen wurden dabei mit 200 ng Vektor-DNA und 8 ng Protein in Puffer bei Raumtemperatur
in eine Küvette gegeben und durch einen 100 µs Impuls von 4 kV/cm transfiziert. Die
Zellen wurden nach 6 h Inkubation bei 37°C und 5 % CO
2 durch Messung der relativen Lumineszenz-Aktivität analysiert.
[0059] Abbildung 6 zeigt die Kotransfektion der Vektor-DNA mit dem Protein, wobei als Kontrollwert
ein Ansatz ohne Protein dargestellt ist. Bei Kotransfektion mit 8 ng Protein ist eine
deutliche Steigerung der Lumineszenz-Aktivität gegenüber den Kontrollen zu erkennen,
was zeigt, dass der Transkriptionsaktivator in den Zellkern gelangt ist und zu einer
Expression der Reporter-Sequenz geführt hat. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist
also auch das Einbringen von Proteinen in den Zellkern eukaryontischer Zellen möglich.
Beispiel 8
Elektrischer Kerntransport von Antikörpern
[0060] Ein elektrischer Kemtransport von Antikörpern kann beispielsweise nach folgendem
Ansatz erzielt werden. 1 x 10
6 HeLa Zellen wurden mit einem Antikörper, gerichtet gegen den kernspezifischen Proteinkomplex
ND10 in 100 µl Pufferlösung, bei Raumtemperatur mit einem 10 µs-Impuls von 4 kV/cm,
ohne Unterbrechung gefolgt von einem Stromfluss von 5 A und 10 ms transfiziert. Die
Zellen wurden unmittelbar nach der Abgabe des Pulses mit 400 µl Zellkulturmedium ohne
Serum aus der Küvette gespült und für 10 min. bei 37°C inkubiert. Die Zellen wurden
in 37°C warmem Zellkulturmedium (mit Serum) ausplattiert und für 5 h bei 37°C und
5 % CO
2 inkubiert. Danach wurden sie in Formaldehyd/Glutaraldehyd fixiert, mit Triton X100
permeabilisiert, mit einem FITC markiertem Antikörper, spezifisch für den anti ND10
Antikörper, inkubiert und fluoreszenzmikroskopisch analysiert.
Beispiel 9
Elektrischer Kerntransport von DNA-Protein-Komplexen in CHO - Zellen
[0061] Der elektrische Kerntransport von DNA-Protein-Komplexene kann beispielsweise durch
die Repression der Expression von transfizierten Reporterplasmid-Repressor-Komplexen
gezeigt werden. CHO-Zellen wurden zu diesem Zweck mit einem Vektor transfiziert (pSpe(LacO)
1-H2K
k), der zwischen Promotor und der H2K
k-Marker-Sequenz eine Lao-Operator-Sequenz aufweist, an die Lac-Repressor-Moleküle
gebunden wurden. Gleichzeitig wurden die Zellen mit dem Vektor pMACS4.1 kotransfiziert,
der für humanes CD4 kodiert und keine Lac-Operator-Sequenz enthält, so daß Lac-Repressor-Moleküle
daran nicht spezifisch binden können. 1 x 10
6 Zellen wurden dabei mit 1 µg H2K
k-Expressionsvektor-DNA mit LacO-Sequenz und 1 µg CD4-Expressionsvektor-DNA ohne LacO-Sequenz
in Puffer bei Raumtemperatur mit 200 ng Lac-Repressor-Protein für 30 min. inkubiert,
in eine Küvette gegeben, und durch einen Impuls von 5 kV/cm für 70 µs, gefolgt von
einem Stromfluss von 2,2 A für 60 ms transfiziert. Die Zellen wurden nach 5,5 h Inkubation
bei 37°C und 5 % CO
2 trypsinisiert, gefärbt und durchflusszytometrisch auf Expression des jeweiligen Markers
analysiert. H2K
k-Expression wurde durch Inkubation mit Cy5-gekoppeltem anti-H-2K
k-Antikörper und CD4-Expression durch Inkubation mit Phycoerythrin (PE)-gekoppeltem
anti-CD4-Antikörper analysiert.
[0062] Die in Abbildung 7 dargestellten Ergebnisse zweier Experimente zeigen die Expression
der Marker-Sequenzen nach Transfektion der DNA-Protein-Komplexe jeweils mit und ohne
gebundenem Lac-Repressor. Bei spezifisch gebundenem Lac-Repressor (H2K
k-Expressionsvektor mit LacO-Sequenz, Plasmid 1) ist eine deutliche Repression der
H2K
k-Expression gegenüber der Kontrolle ohne Lac-Repressor zu erkennen, während ohne spezifische
Lac-Repressor Bindung (CD4-Expressionsvektor ohne LacO-Sequenz, Plasmid 2) keine Repression
der CD4-Expression erfolgte. Dies zeigt, dass der DNA-Protein-Komplex in den Zellkern
gelangt ist und das Repressor-Protein zu einer Unterdrückung der Expression der Marker-Sequenz
geführt hat. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also auch das Einbringen von
DNA-Protein-Komplexen in den Zellkern eukaryontischer Zellen möglich.
Beispiel 10
Elektrischer Kerntransport von Peptid-DNA-Komplexen
[0063] Der Kerntransport von Peptid-DNA-Komplexen kann beispielsweise durch eine Repression
der Expression eines Reporter-Plasmids durch Bindung von PNA (peptide nucleic acid)
an eine PNA-bindende Sequenz zwischen Promotor und Reporter-Kassette eines Reporter-Plasmids
vor der Transfektion gezeigt werden. 1 µg H-2K
k-Expressionsvektor wurden in 10 mM Tris, 1mM EDTA mit 25 µM PNA-Peptid (niedrige Konzentration)
oder 50 µM PNA-Peptid (hohe Konzentration) für 15 min, bei 65 °C inkubiert. Der Expressionsvektor
wurde in zwei Varianten, mit und ohne spezifischer PNA-bindender Sequenz eingesetzt,
ausserdem wurden unspezische PNA-Peptide (Peptid 1) und spezifisch bindende PNA-Peptide
(Peptid 2) eingesetzt. Spezifische PNA-Bindung führt zur Maskierung einer Restriktionsschnittstelle
und wurde durch eine entsprechende Restriktionsanalyse nachgewiesen. Die verwendeten
PNA-Peptide hatten folgende DNA-bindende Sequenz:
NH2-CCTTTCTCCCTTC
-Peptid (Peptid 1) oder
NH2-CTCTTCCTTTTTC
-Peptid (Peptid 2). Der reine Peptidanteil hatte folgende Sequenz:
NH2-GKPTADDQHSTPPKKKRKVED-
COOH. Bei der Transfektion von K562-Zellen wurde ein Peptidanteil mit folgender Sequenz
eingesetzt:
NH2-OKPSSDDEATADSQHSTPPKKKRKVED-
COOH. Nach der Inkubation wurden die Komplexe durch einem Impuls von 5 kV/cm für 70 µs,
gefolgt von einem Stromfluss von 2,2 A für 40 ms in CHO-Zellen und durch einen Impuls
von 5 kV/cm für 100 µs, gefolgt von einem Stromfluss von 5 A für 10 ms in K562-Zellen
transfiziert. Nach einer 4 h Inkubation der Zellen bei 37°C und 5 % CO
2 wurden diese mit Cy5-gekoppeltem anti-H-2K
k-Antikörper gefärbt und durchflusszytometrisch auf H-2K
k-Expression analysiert.
[0064] Abbildung 8 zeigt die Wirkung spezifischer Bindung und unspezifischer Interaktion
von PNA-Peptid mit Vektor-DNA auf die Expression eines Reporterkonstruktes und damit,
dass der Peptid-DNA-Komplex in den Zellkern gelangt ist. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist also auch das Einbringen von Peptid-DNA-Komplexen in den Zellkern eukaryontischer
Zellen möglich.
TABELLE 1
| Zelltyp |
Bedingungen |
%+ nach 3,5 h |
%+ nach 24 h |
| PBMC |
| CD4+ (TH-Zellen) |
1000V 40µs/2,2A 30ms |
30 - 60 |
35 - 70* |
| CD8+ (Tc-Zellen) |
1000V 70µs/2,2A 10ms |
20 - 70 |
35 - 75* |
| CD14+ (Monozyten) |
1000V 70µs/1,0A 1ms |
30 - 50 |
10 - 20 |
| CD19+ (B-Zellen) |
800V 70µs/2,0A 30ms |
10 - 40 |
10 - 50* |
| CD34+ (Stammzellen) |
1000V 70µs/2,2A 10ms |
40 - 60 |
40 - 50 |
| Nabelschnur |
| HUVEC |
800V 70µs/2,0A 10ms |
60 - 70 |
80 - 90 |
| embryonale Zellen des Huhns |
| Neuronen |
800V 40µs/0,1A 1ms |
30 |
50 |
| Fibroblasten |
1000V 50µs/0,1A 1ms |
30 |
60 |
| Zellinien |
|
|
|
| HeLa |
1000V 40µs/2,2A 1ms |
> 30 |
n.d. |
| CHO |
1000V 50µs/1,6A 10ms |
20 - 30 |
n.d. |
Literatur
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[0078] WO 91/18103 A1, Method and Device for making living cells permeable.