DE69622421T2

DE69622421T2 - Verfahren und zusammensetzungen zur verabreichung monomerer proteine

Info

Publication number: DE69622421T2
Application number: DE69622421T
Authority: DE
Inventors: Nannette Van Antwerp; P. Van Antwerp
Original assignee: Medtronic Minimed Inc
Current assignee: Medtronic Minimed Inc
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2016-11-13
Also published as: DK0861089T3; JP4307550B2; JP2000502993A; EP0861089A2; EP0861089B1; AU7678196A; CA2236579A1; CA2236579C; WO1997017945A3; WO1997017945A2; DE69622421D1; US5807315A

Description

Insulin liegt in Lösung als Monomer vor, das mit Dimeren und Hexameren im Gleichgewicht steht. Werden diese Formen einem Patienten verabreicht, so müssen die multimeren Formen im Körper zu einer monomeren Form dissoziieren, welche daraufhin von Kapillaren im Körper absorbiert wird. Dies ist in Situationen von Nachteil, in welchen ein Patient im Voraus den Zeitpunkt berechnen muss, wann der Körper tatsächlich Insulin braucht. So muss z. B. ein Patient sich selbst einen "Essensbolus" an regulärem Insulin jeweils 25 bis 40 Minuten vor jeder Mahlzeit verabreichen.
Pumpen (z. B. Minimed) sind für die Insulinverabreichung an einen Patienten erhältlich, wobei Mikroinfusionen an Insulin in einer programmierbaren Art einem Patienten zugeführt werden können. Obwohl diese Mikroinfusionen die Erfordernis reduzieren, vor einer Mahlzeit einen so genannten "Essensbolus" zu verabreichen, besteht dennoch eine Verzögerung in Zusammenhang mit der Absorption des zugeführten hexameren Insulins.
Somit besteht ein Bedarf für ein Verfahren zur Zufuhr von monomerem Insulin an einen Patienten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dieses Problem und auch andere.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung eines Präparats eines multimeren Proteins, welches mehrere monomere Proteineinheiten aufweist, die mittels eines Aggregationsmittels dissoziierbar aggregiert sind, in ein monomeres Proteinpräparat, das sich zur Verabreichung an einen Patienten eignet, dabei umfassend:
(a) das Bereitstellen einer Oberfläche, die mit einem Bindungspartner für das Aggregationsmittel beschichtet ist, wobei das Aggregationsmittel im Präparat des multimeren Proteins vorhanden ist; und
(b) das Kontaktieren des Präparats des multimeren Proteins mit der Oberfläche aus Schritt (a), wodurch sich das Aggregationsmittel im multimeren Präparat an den Bindungspartner an der Oberfläche bindet und das multimere Protein in Monomere dissoziiert. Das monomere Proteinpräparat kann daraufhin an einen Patienten verabreicht werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Dissoziierung eines multimeren Insulinkomplexes, wobei dieses Verfahren umfasst:
(a) das Binden eines Zink-Chelatbildners an eine Oberfläche;
(b) das Kontaktieren der Oberfläche mit dem multimeren Insulinkomplex, wobei Zink sich an den Chelatbildner bindet und das multimere Insulin in Monomere dissoziiert; und
(c) das Gewinnen von in Stufe (b) erzeugtem monomerem Insulin.
Dies kann zur Verabreichung von monomerem Insulin an einen Patienten verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verabreichen von monomerem Insulin, umfassend:
einen Vorrat eines multimeren Proteinkomplexes, der multimeres Protein und ein Aggregationsmittel umfasst;
einen Strömungsweg mit einem subkutanen Ausgang, der den Vorrat an multimerem Insulin in Fließverbindung mit dem Ausgang bringt; sowie
eine Trägeroberflächenanordnung, die im Strömungsweg angeordnet ist, wobei die Trägeroberflächenanordnung umfasst:
eine Trägeroberfläche; und
einen von der Trägeroberfläche getragenen Aggregationsmittel-Bindungspartner;
wodurch das Aggregationsmittel des multimeren Proteinkomplexes, der mit der Trägeroberfläche in Kontakt kommt, an den Bindungspartner auf der Oberfläche gebunden wird, um einen Fluss an monomerem Protein durch den subkutanen Ausgang zu erzeugen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung zum Verabreichen von monomerem Protein.
Die Fig. 2-5 sind vereinfachte Ansichten von vier Ausführungsformen der Vorrichtung aus Fig. 1.
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Verabreichen von monomeren Proteinen, umfassend einen Katheter und eine Diffusionsmembran, die an einem Ende angeordnet ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung stellt ein allgemeines Verfahren zur Dissoziation von multimeren Proteinen in monomere Komponenten oder Untereinheiten durch Reduktion oder Entfernung eines Aggregationsmittels aus einem Präparat des multimeren Proteins bereit. Somit bezieht sich "Aggregationsmittel", wie der Begriff hierin gebraucht wird, auf eine Verbindung, wie z. B. ein Metallion, das für die monomeren Untereinheiten für ihre Assoziation zu einem Multimer erforderlich ist. "Aggregationsmittel", die unerwünschte, nichtspezifische Assoziation von Monomeren oder Multimeren von Proteinen auslösen, sind ebenfalls im Umfang der Erfindung umfasst. Einige Beispiele für Aggregationsmittel umfassen Aluminium, Kalzium, Magnesium, Zink, Albumin, Protamin, Antikörper, Liganden (einschließlich genetisch erzeugte Polypeptide, etc.), sind aber nicht darauf beschränkt.
Typischerweise wird das Aggregationsmittel über einen Bindungspartner entfernt, wie z. B. einen Chelatbildner, einen Antikörper, Liganden oder Rezeptor. Der Bindungspartner weist typischerweise eine Affinität für das Aggregationsmittel vom zumindest Zweifachen, vorzugsweise Zwei- bis Zehnfachen oder mehr, jener des Proteinmonomers für das Aggregationsmittel auf. Der Bindungspartner wird gewöhnlich auf einer Trägeroberfläche, wie z. B. einer Matrix oder einer Membran, immobilisiert, so dass, wenn das Proteinpräparat durch die Matrix geleitet wird, das Aggregationsmittel an den Bindungspartner gebunden wird. Die Oberfläche kann mit dem Bindungspartner beschichtet werden, oder der Bindungspartner kann an der Oberfläche immobilisiert werden oder an die Oberfläche konjugiert werden, oder er kann als einstückiger Bestandteil der Oberfläche in einer Vielzahl von Techniken, die auf dem Gebiet bekannt sind, in diese aufgenommen werden (z. B. Harlow et al., "Antibodies: A. Laboratory Manual", 521-539, Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY (1988); US-A-5.505.713; US-A-5.538.511).
In einer Ausführungsform ist die Oberfläche eine Membran. Die Membran weist gewöhnlich Poren in einer Größe auf, die dafür geeignet ist, das monomere Protein hindurchzuschicken. Die Porengröße wird auf der Basis des Molekulargewichts des monomeren Proteins von Interesse ausgewählt. Somit wäre für ein gegebenes Protein mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht für ein Monomer ein bevorzugter Bereich von Porengrößen 20-50% kleiner bis 20-50% größer als das durchschnittliche Molekulargewicht des Monomers. Somit wäre beispielsweise eine bevorzugte Porengröße für Insulinmonomere etwa ein MG von 4.000 bis etwa 20.000, insbesondere etwa 4.000 bis etwa 8.000. Typische Membranen umfassen Cellulose-, Acetat-, Polysulfon-, Teflon- oder andere Membranen mit einer Polymerhauptkette mit Löchern oder Poren in einem bestimmten Größenbereich. In einigen Ausführungsformen kann die Membran an einen Querschnitt eines Katheters mittels in der Technik bekannter Mittel gebunden werden, wie z. B. Wärme, Klebern oder Lösungsmitteln, oder sie kann mit einem Haltemittel, wie z. B. einem Haltering, am Ende eines Katheters befestigt werden.
So wird die Oberfläche einer Polysulfon-Membran (W. R. Grace) mit einem Cutoff von 10.000 MG beispielsweise sauer gemacht, indem die Membran 30 Minuten lang in Salpeter- oder Schwefelsäure getaucht wird. Das Insulin an der Membran wird destabilisiert und durch die Chelatbildung von Zink in Monomere dissoziiert. Das Monomer strömt leicht durch die Membran, während Hexamere nicht so diffundieren können. Ist die Oberfläche mit Zinkionen bedeckt, so wirkt sie auch weiterhin als Ionenaustauschmembran, wodurch das Insulin weiter destabilisiert wird, solange als aktive Oberflächenstellen zur Anziehung von Zinkionen verfügbar sind. Dies geht darauf zurück, dass die Dimerisierungsrate von Insulin im Vergleich zur Diffusionsrate durch die Membran langsam ist. Der bevorzugte Durchgang von Monomeren durch die Membran kann mittels Kapillar-Elektropherese verifiziert werden.
In einer Ausführungsform ist die Oberfläche oder Matrix eine Komponente eines Katheters aus einem porösen Material, das zulässt, dass das monomere Protein aus einer vorbestimmten Länge des Katheters diffundiert. Gewöhnlich wird eine solche Vorrichtung in den Patienten implantiert.
In einigen Ausführungsformen kann die Oberfläche oder Matrix eine Komponente eines Katheters einer eines Aufsatzes auf einen Katheter sein. Der Katheter kann extern zum Patienten liegen oder in diesen implantiert sein. Ein typischer Katheter ist aus Silikongummi mit einer Innendimension von etwa 0,07 Zoll und einer Außendimension von etwa 0,110 Zoll. In einigen Ausführungsformen wird das Protein durch den Katheter gepumpt. Die Pumpe kann extern zum Patienten liegen oder in diesen implantiert sein. Beispiele für Pumpen umfassen MiniMed Model 507 und MiniMed 2001, sind aber nicht darauf beschränkt.
In einigen Ausführungsformen wird die Matrix oder das Kontaktmedium, das mit einem Bindungspartner bedeckt ist, dazu verwendet, das Lumen eines Katheters zu füllen oder zu bepacken. Das Proteinpräparat wird durch den mit Matrix bepackten Katheter geleitet, wobei es mit dem Bindungspartner in Kontakt kommt.
In einigen Ausführungsformen ist Insulin das bevorzugte Protein. Das Aggregationsmittel in Insulinpräparaten ist Zink. Der Bindungspartner für Zinkionen ist gewöhnlich ein Chelatbildner, beispielsweise Sauerstoff enthaltende Chelatoren, wie z. B. organische Alkohole und Ether, nichtessigsaure Amine, wie z. B. Triethylamin und Ethylendiamin, Phosphor-hältige Liganden, wie z. B. Phosphine, und Liganden auf Schwefelbasis, wie z. B. organische Sulfonate, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin, Nitriloessigsäure, Ethylendiamintetraessigsäure; N-Hydroxyethylendiamintriessigsäure, Ethyletherdiamintetraessigsäure, Ethylenglykol-bis-β-aminoethylether-N-N-tetraessigsäure, Diethylentriaminpentaessigsäure und Cyclohexandiamintetraessigsäure. Für implantierbare Pumpen oder Kathetersysteme bindet ein bevorzugter Chelator vorzugsweise das Aggregationsmittel um etwa einen zweifach höheren Faktor als Insulin für das Aggregationsmittel aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Nation® (Aldrich, J. Electrochem. Soc. 140, 2279 (1993)) als Bindungspartner auf der Oberfläche oder Matrix verwendet.
Jedes im Handel erhältliche Insulinpräparat kann in diesem Verfahren zur Herstellung von monomerem Insulin verwendet werden, umfassend dabei HUMULIN RTM, VELO- SIN BRTM, HOE21pH U400 und U100 (Hoechst), aber nicht darauf beschränkt. Vorzugsweise ist das Insulin das herkömmlich als "reguläres" Insulin bezeichnete. Das Insulin kann in einem Puffer oder in einer wässrigen Formulierung, umfassend steriles Wasser, präpariert werden.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Strömungsrate durch die Matrix, wobei das Medium oder die Membran kontaktiert werden, gewöhnlich etwa 100 ul bis 2 ml/Tag.
Als Beispiel für die Vorteile der Erfindung kann die Dynamik der Insulinabsorption im Körper wie folgt beschrieben werden. Insulinhexamer dissoziiert in Insulindimer und danach in Insulinmonomer, was durch die folgende Gleichung 1 beschrieben wird (Sluzky et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 88, 9377-9381 (1991)):
Die lokale Konzentrationsgradient im Gewebe des Patienten treibt den Gleichgewichtsprozess gemäß dem Prinzip von Le Chateller an. Nur monomeres Insulin kann von den Kapillaren absorbiert werden. Nimmt die lokale Konzentration an Monomeren durch die Absorption in die Kapillaren ab, verschiebt sich das in Gleichung 1 gezeigte Gleichgewicht nach rechts, wie dies in Gleichung 2 folgt:
Somit kann die Absorptionsrate des Insulins in einem Patienten erhöht werden, dem monomeres Insulin verabreicht wurde. Ähnlich können auch andere Proteine einem Patienten im Verfahren der Erfindung verabreicht werden, um die Absorptionsrate zu erhöhen oder in anderer Hinsicht die therapeutische Verwendung des Proteins zu verbessern.
Eine Ausführungsform der Erfindung besteht in der Verwendung einer Vorrichtung mit einem Bindungspartner, der für ein Aggregationsmittel spezifisch ist, um monomeres Protein durch den Kontakt der Vorrichtung mit einem multimeren Proteinpräparat, das ein Aggregationsmittel umfasst, herzustellen, wobei das Aggregationsmittel an den Bindungspartner gebunden und Dissoziation des multimeren Proteins zu Monomeren ausgelöst wird. Die Monomere werden gewöhnlich während der Verabreichung des Proteinpräparats an den Patienten erzeugt.
Andere Ausführungsformen der Erfindung umfassen eine Vorrichtung 2 zur Verabreichung von monomerem Protein. Die Verabreichungsvorrichtung 2, die in Fig. 1 dargestellt ist, umfasst gewöhnlich einen Vorrat 4 an multimerem Protein, umfassend multimeres Protein und ein Aggregationsmittel; einen Strömungsweg 6 mit einem subkutanen Ausgang 8, der den Vorrat an multimerem Protein in Fließverbindung mit dem Ausgang bringt; und eine Trägeroberflächenanordnung 10, die im Strömungsweg angeordnet ist. Die Trägeroberflächenanordnung 10 umfasst eine Trägeroberfläche, typischerweise eine poröse Matrix 12, und einen von der Trägeroberfläche getragenen Aggregationsmittel- Bindungspartner. Das Aggregationsmittel des multimeren Proteinkomplexes, der entlang der Oberfläche fließt, wird an den Bindungspartner auf der porösen Matrix gebunden, um einen monomeren Proteinfluss 7 durch den subkutanen Ausgang 8 zu erzeugen. "Subkutan", wie der Terminus hierin verwendet wird, bezieht sich auf jede Stelle unter der Haut. In einigen Ausführungsformen umfasst der multimere Proteinkomplex vorzugsweise einen Vorrat an multimerem Insulin. Der Bindungspartner kann ein Chelatbildner, wie zuvor beschrieben, sein, und in einigen Ausführungsformen ist er vorzugsweise Nation®. Das Aggregationsmittel, wie zuvor erklärt, ist einigen Ausführungsformen vorzugsweise Zink.
Fig. 2 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 2 aus Fig. 1, wobei dieselben Bezugsziffern für gleiche Elemente verwendet werden. Die Vorrichtung 2a umfasst eine Pumpe 14, wie z. B. eine Mikroinfusionspumpe von MiniMed Inc., Sylmar, Kalifornien, oder HTRON-100 von Disetronics, Schweiz. Die Pumpe 14 umfasst den Vorrat an multimerem Protein. Die Pumpe 14 ist mit einem Katheter 16 verbunden, der einen subkutanen Ausgang 8a an seinem distalen Ende aufweist, wobei der Ausgang 8a unter der Haut 18 des Patienten angeordnet ist.
Fig. 3 zeigte eine Alternative der Vorrichtung 2a aus Fig. 2. Die Vorrichtung 2b ersetzt die poröse Matrix 12, die entlang der Länge des Katheters 16 der Vorrichtung 2a angeordnet ist, durch eine poröse Matrixabdeckung 12b, die den Ausgang 8b umgibt. Sowohl die Vorrichtung 2a als auch 2b können unter der Haut 18 implantiert werden, wie dies mittels der Vorrichtung 2c aus Fig. 4 vorgeschlagen wird. Fig. 5 zeigt eine weitere Alternative, in welcher das Proteinpräparat und der Bindungspartner in getrennten Behältern (14d, 22) bereitgestellt werden, danach im Abteil 20 vermischt werden, bevor sie subkutan austreten (8d).
Andere Arten von Pumpen, wie z. B. händisch betätigte Spritzenpumpen, können ebenfalls verwendet werden, wie auch Pumpe, die sich hydrostatische Kräfte zu Nutze machen, die über einer halbdurchlässigen Membran erzeugt werden.

Beispiel

Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Insulinmonomeren wurde wie folgt hergestellt. Eine Polysulfon-Dialysemembran (W. R. Grace) mit einem MG-Cutoff von etwa 10.000 wurde vorher in EDTA getaucht und danach mit dem Ende eines Katheters aus Silikongummi (Nusil) mittels ultraschallverschweißt. Der Katheter wies eine Innendimension von 0,07 Zoll und eine Außendimension von 0,110 Zoll auf. Ein im Handel erhältliches Insulinpräparat wurde durch die Membran geschickt, und das resultierende Präparat wurde mittels Kapillar-Elektropherese analysiert, um die Gegenwart von Insulinmonomeren zu bestätigen. Die in Fig. 6 abgebildete Vorrichtung umfasst einen Katheter 22 und eine Diffusionsmembran 25, die an einem Ende montiert ist.

Claims

1. Verfahren zur Umwandlung eines Präparats eines multimeren Proteins, wobei das multimere Protein eine Vielzahl monomerer Proteineinheiten, die mittels eines Aggregationsmittels dissoziierbar aggregiert sind, aufweist, in ein monomeres Proteinpräparat, das sich zur Verabreichung an einen Patienten eignet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

(a) das Bereitstellen einer Oberfläche, die mit einem Bindungspartner für das Aggregationsmittel beschichtet ist, wobei das Aggregationsmittel im Präparat des multimeren Proteins vorhanden ist; und

(b) das Kontaktieren des Präparats des multimeren Proteins mit der Oberfläche aus Schritt (a), wodurch sich das Aggregationsmittel im multimeren Präparat an den Bindungspartner an der Oberfläche bindet und das multimere Protein in Monomere dissoziiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Protein Insulin ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Aggregationsmittel Zink ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Bindungspartner ein Chelatbildner ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin der Chelatbildner Nation® ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, worin der Chelatbildner ein Ionenaustauschmedium ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Oberfläche eine Membran ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Membran Poren mit Größen im Bereich von etwa 4.000 bis etwa 20.000 MG aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Protein durch die Oberfläche gepumpt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Oberfläche implantierbar ist.

11. Verfahren zum Dissoziieren eines multimeren Insulinkomplexes, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

(a) das Binden eines Zink-Chelatbildners an eine Oberfläche;

(b) das Kontaktieren der Oberfläche mit dem multimeren Insulinkomplex, wodurch sich Zink an den Chelatbildner bindet und das multimere Insulin in Monomere dissoziiert; und

(c) das Gewinnen von durch Schritt (b) erzeugtem monomerem Insulin.

12. Vorrichtung zur Verabreichung von monomerem Protein, umfassend:

einen Vorrat eines multimeren Proteinkomplexes, der multimeres Protein und ein Aggregationsmittel umfasst;

einen Strömungsweg mit einem Ausgang, der den Vorrat an multimerem Protein in Fließverbindung mit dem Ausgang bringt; sowie

eine Trägeroberflächenanordnung, die im Strömungsweg angeordnet ist, wobei die Trägeroberflächenanordnung umfasst:

eine Trägeroberfläche; und

einen von der Trägeroberfläche getragenen Aggregationsmittel-Bindungspartner;

wodurch bei Verwendung das Aggregationsmittel des multimeren Proteinkomplexes, der mit der Trägeroberfläche in Kontakt kommt, an den Bindungspartner auf der Trägeroberfläche gebunden wird, um einen Fluss an monomerem Protein durch den Ausgang zu erzeugen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Strömungsweganordnung einen Katheter umfasst.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Strömungsweganordnung eine Pumpe umfasst, um den multimeren Proteinkomplex den Strömungsweg entlang zu pumpen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin der Ausgang zur subkutanen Positionierung bestimmt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin die Pumpe zur Positionierung außerhalb eines Patienten bestimmt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin die Pumpe zur Implantation in einen Patienten bestimmt ist, dem das monomere Protein verabreicht wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Trägeroberfläche eine poröse Matrix umfasst.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die poröse Matrix eine Porosität von etwa 4.000 bis 20.000 MG aufweist.