CA-IX适配体及其诊断和治疗用途的制作方法

ca-ix适配体及其诊断和治疗用途
技术领域
1.本发明提供了与碳酸酐酶ix(ca-ix)结合的核酸适配体、其衍生物和缀合物，以及它们作为诊断工具的用途，特别是用于对表达ca-ix的器官和组织的成像，或者作为用于预防或治疗ca-ix相关疾病的治疗剂。


背景技术：

2.适配体
3.最近，基于功能性寡核苷酸的生物分子(称为适配体)作为抗体的潜在替代品引起了极大的兴趣。适配体选择技术已经因其在疾病诊断和治疗中的适用性而引起了科学界的关注。
4.寡核苷酸适配体的大小范围为约20至约80个碱基(8至25kda)，并且它们的结构负责分子内相互作用(levy-nissenbaum e.等，trends biotechnol.2008,26(8),442
–
449)。适配体通过芳族化合物之间的相互作用、通过氢连接的碱基配对、范德华相互作用以及带电基团或氢键之间的静电相互作用与其靶标结合。因此，适配体在靶标识别和生物分子相互作用后会发生构象变化。
5.这些生物、物理和化学特性使这些寡核苷酸成为诊断和治疗的有效识别工具。适配体在生物领域的应用主要受到核酶对其的降解所限制。需要进行化学修饰以保护它们免受核酸酶的影响，提高它们的热稳定性和药代动力学特性。
6.在这些修饰中，可以通过2'-f或2'-nh2基团交换核糖2'-位置的oh，以改善适配体在细胞环境中的稳定性。适配体的其他改变可以包括用小分子如胺、磷酸基团或胸苷残基和其他非天然碱基进行末端封端(gao s.等，anal.bioanal.chem.2016,408(17),4567-4573)。
7.通过指数富集的配体系统进化(systematic evolution of ligands by exponential enrichment，selex)，通过体外方法选择适配体。tuerk和gold(science,1990,249,505-510)以及ellington和szostak(nature,1990,346,818-822)同时描述了该方法。selex方法涉及通过重复结合循环、洗脱和从随机核酸文库中扩增配体来逐步选择适配体，以选择对所选靶标具有更高结合亲和力的序列。
8.已经开发出该技术的一种新应用，称为“细胞-selex”，允许选择与特定靶细胞结合的适配体(de franciscis v.等,methods mol biol.,2016,1380,33-46)。可以容易地操纵选择参数以获得适用于各种条件(例如ph、温度或缓冲剂组成)的更有效的适配体(radom f.等，biotechnol.adv.2013,31(8),1260-1274)。在传统的selex方法中包括了一些修改，例如亲和层析、毛细管电泳和过滤膜，以最大化亲和力和特异性，并提高特定适配体的选择速度和成功率(stoltenburg r等，biomol.eng.2007,24(4),381-403)。使用各种物理、化学和生物测定法来鉴定所选寡核苷酸的特征(song km等，sensors，2012，12(1)，612-631)。一旦选择，它们就可以通过化学反应以精确和可重复性的方式大量合成。这些化学过程比抗体生产更具成本效益。
9.当与抗体相比时，适配体的尺寸相对较小，这有助于它们的化学合成和可能的修饰。它们在体内具有生物相容性和低免疫原性。它们具有高选择性以及结合和识别特定靶标的能力，呈现纳摩尔范围内的亲和常数(kd)，低于抗体(通常具有毫/微摩尔范围内的kd)。此外，由于它们显著更低的分子量，它们可以更快、更有效地穿透组织，并且可以区分蛋白质的细胞外或细胞内结构域，而抗体无法区分这些结构域(gopinath s.c.等，j.gen.virol.,2006,87(3),479
–
487)。
10.适配体的强靶标亲和力/选择性、成本效益、化学多功能性和安全性也优于传统的基于肽或蛋白质的配体，这使其特别适用于分子成像。事实上，适配体可进行化学修饰以保持长期稳定性，并可与各种部分进行生物缀合，因此被认为作为特异性成像剂(例如，用于光学、磁共振、核、计算机断层扫描、超声和多模态成像)以及治疗剂非常有用。
11.ca-ix
12.碳酸酐酶ix(ca-ix)是一种位于细胞表面上的锌金属酶。它是大碳酸酐酶(ca)家族的成员，该家族的酶催化二氧化碳可逆地转化为质子和碳酸氢盐，从而降低ph值。
13.迄今为止，已经在哺乳动物中表征了16种ca同种型，它们在细胞定位、催化活性、对不同抑制剂的敏感性和组织特异性分布方面存在差异。其中，ca-ix是肿瘤缺氧反应的标志物，因为它的基因表达是由缺氧的主要调节因子促进的，该调节因子称为缺氧诱导因子1(hif-1)，据信参与维持缺氧细胞的酸性环境(wykoff等，cancer res.2000,60,7075-7083)。肿瘤缺氧主要由灌注不良和贫血引起，是诱导具有侵袭性和治疗抗性表型的细胞克隆发展的关键因素之一，导致几种癌症类型的快速进展和不良预后。事实上，癌细胞在改变其基因表达的恶劣环境、特别是改变参与ph控制的多种基因表达的恶劣环境中生存。
14.ca-ix在众多肿瘤(包括肾癌、宫颈癌、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌、头颈部肿瘤等)的生长和转移中起重要作用，因为它的催化活性有助于减少细胞外ph值(phe)，细胞外ph值产生酸性微环境，这增加癌细胞增殖和侵袭。
15.与其他ca不同，许多研究表明ca-ix仅在少数正常组织(即肠和胃粘膜、胆囊和睾丸)中表达，而在许多类型的癌细胞中过度表达。因此，使用特定工具靶向ca-ix为改善常规疗法以及恶性肿瘤的早期诊断和预后开辟了新的重要领域。
16.在选择ca-ix靶向部分、特别是抗ca-ix适配体时面临的主要问题涉及如何特异性靶向活性状态的ca-ix。
17.迄今为止开发的用于成像和/或治疗应用的ca-ix靶向剂类别包括单克隆抗体(例如g250、m75)或微型抗体(例如a3和cc7)和小化合物，例如无机离子、基于磺胺的化合物、酚类和香豆素。其中一些试剂目前正在临床开发中。
18.特别是，单克隆抗体(mab)m75和g250代表了靶向ca-ix酶开发的第一个解决方案。mab m75与靶标n末端上的ca-ix的蛋白聚糖样(pg样)结构域结合，而mab g250与ca-ix的催化结构域相互作用。开发了一种用放射性核素
124
i标记的g250的嵌合版本(称为cg250)，用于检测透明细胞性肾细胞癌(ccrcc)。
19.尽管单克隆抗体通常被认为是大多数肿瘤靶向应用的首选配体，但越来越清楚的是它们存在许多缺点。事实上，抗体的特征是肿瘤穿透缓慢且效率低下，血液停留时间长，这需要使用长寿命的放射性同位素并在后期进行成像，从而使患者面临高辐射负担。事实上，
124
i-cg250在注射到患者体内后仅2-7天就达到适合成像的肿瘤/血液比率。此外，单克
隆抗体可以具有免疫原性，因此无法在常规诊断程序中重复施用。
20.这些问题可以通过使用小分子来规避。与大的大分子不同，小分子从循环中迅速清除，并从而达到适合在早期时间点成像的肿瘤/血液比率。这进而使医生能够比使用基于抗体的成像剂更快地获得诊断信息。
21.在靶向ca-ix的小型化合物中，研究最好和最稳健的抑制剂类别是磺胺类药物，因为它们具有高亲和力、可用性和易于化学操作的特点。然而，尽管它们中的一些是有前途的药剂，但由于与细胞内ca和其他细胞外ca(如ca-xii)相互作用，仍然存在脱靶毒性的担忧，所述ca-xii在肿瘤和正常组织中都有表达。
22.wo2014/128258描述了一种ca-ix靶向化合物，例如抗体cg250，用于治疗癌症的和用于诊断、预测和/或分类癌症疾病的方法，包括量化ca-ix表达和确定ca-ix评分。
23.wo2011/139375公开了结合ca-ix的新型抗体及其片段，并可用于诊断和治疗与缺氧和/或ca-ix活性升高有关的癌症疾病。
24.cn107648620和zhu l.等，int.j.nanomedicine,2018,13,6481-6495公开了靶向超声纳米泡，其携带固定在纳米颗粒脂质单层外壳中的ca-ix适配体；此类化合物可以穿透肿瘤脉管系统并用于肿瘤实质细胞的超声分子成像。
25.wo2012/027493描述了一种用于体内检测癌细胞的非侵入性方法，该方法通过向受试者施用一种或多种靶向成像探针，所述靶向成像探针特异性结合选自ca-ix、ca-xii等的靶标。在可能的靶向探针中提到了适配体，尽管没有报道特定分离的寡核苷酸的例子。
26.尽管做出了努力，但仍然需要开发ca-ix结合剂，其特征在于对靶标具有高和特异性的亲和力，以用于诊断和/或治疗。


技术实现要素：

27.本发明基于对以高亲和力特异性靶向碳酸酐酶ix(ca-ix)的rna适配体序列的鉴定。
28.考虑到ca-ix在许多类型的癌症中作为缺氧标志物的上调，本发明的抗ca-ix适配体从更有效的治疗的角度来看，可用于早期癌症诊断和分期，并且检测和跟踪播散性转移性疾病对全身和靶向治疗的应答。
29.特别地，本发明的适配体解决了在其生理存在的位点，即在表达ca-ix的细胞表面上特异性识别靶标的问题，因此证明适用于它们的体内使用。事实上，已发现本文所述的适配体能够直接结合在其表面上过表达ca-ix的细胞。
30.为此，细胞-selex方法已被应用于特异性选择结合细胞表面上表达的ca-ix的适配体。
31.详细说明
32.对用2'-氟嘧啶修饰的rna分子文库测定与瞬时转染人ca-ix(cos7-caix)的cos7细胞的结合。选择过程涉及以下的重复循环：1.适配体文库在cos7细胞上孵育，用于计数器选择步骤；2.回收未结合的序列并在cos7-caix细胞上孵育，用于选择步骤；3.回收结合的序列并扩增。在重复选择步骤之后，克隆最终的rna分子库，分离显示最高cos7-ca-ix结合的单个序列，并确定它们的序列和对靶标的亲和力。
33.在第一方面，本发明提供了两个适配体，其能够结合碳酸酐酶ix(ca-ix)并且包含
选自ucgaaugaaccaagguuccucggc(seq id no:1)和uucgugccgcugagugcguacgggc(seq id no:2)或其衍生物的rna序列。
34.在一个实施方案中，上述适配体具有多至100个核苷酸的长度。
35.通过缩短两个最初选择的84mer适配体以获得对成像和治疗应用有用的小序列，获得分别对应于seq id no:1或seq id no:2的24和25个核苷酸的特定rna序列。
36.在一个优选的实施方案中，以上定义的rna适配体的特征在于抗核酸酶。在一个更优选的实施方案中，上文定义的rna适配体的特征在于所有嘧啶残基都被2'-f(氟嘧啶)修饰。
37.在另一个更优选的实施方案中，上文定义的rna适配体可以结合到结合部分，例如生物素。
38.本发明优选的适配体由seq id no:1或seq id no:2组成。更优选的是由seq id no:1组成的适配体。
39.适配体修饰
40.本发明的适配体可以被修饰，例如以增加它们对核酸酶的抗性，调节它们的药代动力学，或与诊断或治疗部分缀合。
41.优选地，本发明的rna适配体具有至少一个或所有被2'-氟修饰的嘧啶残基。此外，其修饰可以包括在优选地选自由核酸的糖位置、磷酸位置和碱基位置组成的组的位置处的化学取代。在一些实施方案中，修饰选自由以下组成的组：生物素化，荧光标记的掺入，修饰核苷酸的掺入、2'-嘧啶修饰，3'-位加帽，与接头的缀合，与化合物或药物的缀合，与细胞毒性部分的缀合，以及用荧光团、放射性同位素、超声造影剂或报道子部分进行标记。修饰的位置可以根据附接到适配体的部分的类型而变化。例如，适配体序列可以在3'-末端和/或5'-末端进行修饰。
42.在一个优选的实施方案中，适配体连接到生物素，例如在3'-末端生物素化，如下式(i)所示：
[0043][0044]
本发明的适配体，适当地用报道子或治疗部分进行标记或者缀合，可用于ca-ix相关状态、病症、功能障碍、病况或疾病(特别是癌症疾病)的诊断、治疗或可视化。示例性应用包括诊断或治疗与ca-ix表达相关的癌症疾病，例如肾癌、宫颈癌、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌和头颈部肿瘤，以及心力衰竭。
[0045]
在本发明的一个具体实施方案中，用报道子部分标记的适配体可用于对表达ca-ix的身体组织或器官系统、特别是肿瘤实质组织的成像。
[0046]
合适的成像技术包括磁共振成像、正电子发射断层扫描(pet)、计算机断层扫描(ct)、超声、光声成像(pai)、近红外荧光(nirf)、单光子发射计算机断层扫描(spect)。
[0047]
对于成像应用，与适配体连接的报道子部分通常选自：能够生成荧光信号的分子，
例如荧光素；fitc；alexa染料；cy染料；dylight染料；irdye染料或vivotag染料；光学部分，包括可用于使用光学成像产生对比度或信号的试剂；磁性部分，包括能够与顺磁性金属离子形成稳定络合物的磁共振剂的螯合剂；放射性标记部分；可用于使用x射线成像产生对比度或信号的x射线部分，例如碘化有机分子或重金属离子的螯合物；可用于使用超声靶向微泡产生对比度或信号的超声成像部分；和光声成像部分，包括光声成像相容剂。
[0048]
适配体和报道子部分或标记可以共价或非共价连接，任选地通过插入合适的接头或间隔物，包括肽、氨基酸或核酸。此外，适配体和报道子部分或标记可以使用标签系统连接，标签系统包括生物素/抗生物素蛋白、生物素/链霉抗生物素蛋白、生物素/中性抗生物素蛋白或地高辛碱基(dig)系统。
[0049]
在另一方面，本发明提供了一种组合物，其包含至少一种本文定义的适配体和一种或多种合适的药学上可接受的载体、赋形剂、稀释剂和/或添加剂。组合物的成分可以根据预期用途而变化，无论是用于诊断、治疗还是成像应用。例如，组合物可以进一步包含一种或多种治疗化合物和/或一种或多种成像剂。
[0050]
在一个实施方案中，组合物用于对带有ca-ix的靶组织进行成像并且包含用如上定义的报道子部分缀合或标记的适配体。组合物可以是例如以脂质体或纳米颗粒的形式，并且可适用于不同类型的施用。在一个实施方案中，组合物适合于肠胃外施用，优选地用于静脉内或皮下施用。所述组合物可用于可视化表达ca-ix的组织或器官，例如肿瘤实质组织。
[0051]
还提供了一种试剂盒，该试剂盒在一个或多个容器中包含至少一种本发明的适配体，优选地与报道子或治疗部分进行标记或缀合。
[0052]
序列表的简要说明
[0053]-seq id no:1列出了名为sam-2.t1的24nt的短适配体序列：5'-ucgaaugaaccaagguuccucggc-3'；
[0054]-seq id no:2列出了名为sam-1.t1的25nt的短适配体序列：5'-uucgugccgcugaggugcguacgggc-3'。
附图说明
[0055]
图1：通过elona测定对ca-ix纯化蛋白的结合评估。sam-1.t1和sam-2.t1(左图)和多克隆抗体抗hsa(右图)在450nm处的吸光度。
[0056]
图2：sam-1.t1和sam-2.t1适配体在人血清中的稳定性：将在不同时间收集的a)sam-1.t1和b)sam-2.t1样品加载到变性凝胶上(上图)和c)条带通过imagej程序进行量化(下图)。两种凝胶的第一行表示未用人血清处理的序列，以评估样本的正确大小。
[0057]
图3：通过elona测定对hsa的kd评估。(a)sam-1.t1、(b)sam-2.t1和(c)抗hsa多克隆抗体在450nm处的吸光度。
[0058]
实验部分
[0059]
设备
[0060]
rt-qpcr由stepone
tm plus实时pcr系统(applied biosystem)进行。使用gel doc ez system(bio-rad)进行凝胶可视化。elona数据由multiskan
tm fc微孔板光度计(thermofisher scientific)获得。
no:2(sam-1.t1)的较短序列。在以下实施例2中评估了截短序列中结合能力的保留。
[0083]
制备：然后通过人工合成获得本发明选择的适配体。例如，根据本领域公知的方法，它们是通过使用rna合成仪的固相合成法合成产生的。然后，它们在序列的3'末端与生物素缀合。
[0084]
在插入c
6-氨基接头(3'-c
6-nh2)后，rna序列在其3'末端与商业生物素缀合。通过在碱性催化下与c6脂肪族二胺缩合，将接头插入在3'-末端磷酸处。得到的游离nh2部分与生物素-nhs酯偶联，形成共价酰胺键。将生物素-nhs酯溶解在优质无水dmf或dmso中，并在室温下在0.1-0.2m碳酸氢钠缓冲液(ph 8.3)中进行反应。通过page，然后hplc，进行纯化。
[0085]
实施例2：适配体sam-1.t1和sam-2.t1对ca-ix阳性细胞的结合和亲和力
[0086]
为了确认短适配体sam-1.t1(seq id no:2)和sam-2.t1(seq id no:1)含有原始分子的活性位点并保持对cos7-ca-ix细胞的高结合和亲和力，一式两份进行结合测定，比较在cos7-ca-ix对比cos7-wt细胞上的序列结合能力。用人ca-ix cdna接种和转染cos7细胞。24小时后，在酸性条件下在cos7-wt和cos7-ca-ix上，将rna序列以100nm(作为终浓度)在37℃孵育15分钟。通过rt-qpcr分析样品以量化结合的适配体的量，并计算cos7-wt细胞的倍数变化。
[0087]
适配体sam-1.t1和sam-2.t1的倍数变化值分别为1.3和2.4。这一结果证实了它们在细胞表面的膜上结合生理构象的靶标ca-ix的能力。
[0088]
实施例3：适配体sam-1.t1和sam-2.t1与人ca-ix纯化蛋白的结合测定
[0089]
在不同的实验中进一步研究了适配体sam-1.t1(seq id no:2)和sam-2.t1(seq id no:1)的结合。在人ca-ix纯化蛋白上测试了生物素化的适配体sam-1.t1和sam-2.t1，以确认它们识别靶标的能力。
[0090]
序列sam-1.t1和sam-2.t1 200nm，在3'末端生物素化，在预先用50nm人ca-ix纯化蛋白包被或未包被(空白)的96孔微量滴定高结合板上温育。对于每个实验，使用抗ca-ix抗体作为阳性对照。
[0091]
然后通过elona测定分析样品。结果如图1所示，表明两种适配体都与ca-ix人蛋白结合，如同抗ca-ix抗体。
[0092]
实施例4：适配体sam-1.t1和sam-2.t1在人血清中的稳定性
[0093]
对适配体sam-1.t1和sam-2.t1测试在人血清中的稳定性，以评估它们对酶降解的抗性。它们在37℃在87％人血清中温育。实验一式三份进行。在不同时间(t0、1、2、4、8、12、24、48、72小时)收集样品，用蛋白酶k在37℃温育1小时以降解血清蛋白并加载到变性凝胶上。
[0094]
图2中报告的结果表明，sam-1.t1和sam-2.t1适配体在人血清中非常稳定，特别是sam-1.t1适配体稳定直至24小时，sam-2.t1适配体稳定超过72小时。
[0095]
实施例5：适配体sam-1.t1和sam-2.t1对hsa的结合亲和力
[0096]
进行elona测定以评估sam-1.t1和sam-2.t1适配体与人血清白蛋白(hsa)的结合。生物素化的sam-1.t1和sam-2.t1适配体在先前用25nm hsa包被或未包被(空白)的96孔微量滴定高结合板上以增加的浓度(10-100-1000nm)进行温育。在使用的任何条件下均未检测到适配体结合，这表明sam-1.t1和sam-2.t1适配体在高达1000nm时仍不与hsa发生反应。在每个实验中，抗hsa生物素化的多克隆抗体用作阳性对照。结果如图3所示。