CA1295985C

CA1295985C - Procede pour la separation et la purification des antigenes proteiques des bacteries du genre bordetella

Info

Publication number: CA1295985C
Application number: CA000534842A
Authority: CA
Inventors: Marie-Jose Quentin-Millet; Francois Arminjon
Original assignee: Institut Merieux SA
Current assignee: Institut Merieux SA
Priority date: 1986-04-16
Filing date: 1987-04-15
Publication date: 1992-02-18
Anticipated expiration: 2009-02-18
Also published as: AU7158087A; AU603794B2; FR2597605B1; LU90380I2; US4985144A; JPS62253396A; EP0242302A1; ATE57936T1; DE242302T1; ZA872711B; DE3765822D1; ES2000434B3; GR880300042T1; JPH0826080B2; SU1600633A3; ES2000434A4; FR2597605A1; US5045203A; GR3001376T3; EP0242302B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de purification des antigènes protéiques des bactéries du genre Bordetella, caractérisé par le fait qu'il consiste à mettre en contact une solution contenant lesdits antigènes protéiques avec un matériau de chromatographie d'affinité constitué par un support solide sur lequel est fixé un ligand ayant une affinité pour la toxine pertussis, ledit ligand étant une protéine désialylée choisie parmi la fétuine désialylée et l'haptoglobine desialylée, puis a recueillir ou à éluer les antigènes recherchés.

Description

5~

La présente invention a pour objet un procédé pour séparer et purifier des anti~ènes protéiques des bactéries appartenant au genre Bordetella.
On sait que la cultuxe de bactéries du genre Bordetella, par exemple Bordetella pertussis, Bordetella parapertussis et Bordetella bronchiseptica, permet l'obtention de la protéine F-HA (Filamentous hémagglutinin).
De plus, la culture de B. pertussis permet également l'obtention d'une exotoxine protéique : la toxine pertussis, encore appelée LPG ou LPF-HA (Leukocytosis Promoting Factor-Hemagglutinin). Ces protéines peuvent être utilisées notamment dans la préparation de vaccins acellulaires contre la coqueluche.
La séparation et la purification des antigènes protéiques des bactéries du genre Bordetella pose des problèmes techniques difficiles à résoudre pour obtenir les antigènes purifiés avec de bons rendements.
Généralement on utilise, lors de la purification, ; 20 des techniques de chromatographie d'affinité.
Dans la demande de brevet britannique publiée le 12 septembre 1979 sous le n 2.015.531 on a preconisé
l'utilisation d'un procédé de chromatographie dlaf~inité à
l'aide dlun support polymérique insoluble sur lequel est fixée une sialoprotéine ou une autre substance riche en acide sialique. La sialoprotéine permet de fixer sélectivement la toxine pertussis qui peut ensuite être éluée.
Dans la demande de brevet européen publiée le 8 mai 1~85 sous le n ~14~386 on a décrit une méthode de chromatographie utilisant comme ligand sélectif pour la toxine pertussis une céruloplasmine déna-turée par la chaleur.
On a maintenant découvert que, de facon .~

~LZ~59~3S
.
- la -surprenante, la toxine pertussis a davantage d'affillité pour les glycoprotéines désialylées immobilisées sur un support que pour les sialoprotéines, comme cela sera montré ci-après. Ce résultat est d'autant plus surprenant que, dans le cas où c'est la toxine pertussis qui est immobilisée sur un support, on avait observé que la fétuine inhib~ davantage la fixation de la fétuine mar~uée à l'iode 125 que l'asialofétuine (93% d'inhibition seulement par rapport à la fétuine; voir RoD~ Sekura et al~, "Pertussis Toxin Structural Elements involved in the interaction with cells",.. Proceeding of the Pertussis Toxin conference, Bethesda, Sept. 20-21, 1984 edited by R.D. Sekura, J. Moss and M. Vaughan 1985, Academic Press Inc., pages 45-64.
L'invention a pour objet un procedé de purifi-cation des antigènes protéiques des bacteries du genre Bordetella, caractérisé par le fait qu'il consiste à mettre en contact une solution contenant lesdits antigènes protéiques avec un matériau de chromatographie d'affinité
constitué par un support solide sur lequel est fixé un ligand ayant une affinité pour la toxine pertussis, ledit ligand étant une protéine désialylée choisie parmi la fétuine désialylée et l'hapto~lobine désialylée, puis à
recueillir ou à éluer les antigènes recherchés.

On sait que la fétuine et l'haptoglobine contiennent des groupements oligo-osidiques s$alylés ; voir par exemple J.U. Baenzl~er et al, The Journal of Biological Chemistry, vol. 254, n3, pp.789~795 (1979) et B.Nilsson et al, Procsedings of VI International Symposium on glycocon~ugates (1981), pages 275-276.
L'hydrolyse acide de la fétuine ou de l'haptoglobine selon les méthodes connues, convertit les structures osidiques sialylées en structures osidiques désialylées eorrespondantes, et on obtient ainsi l'asialofétulne ou l'asialo-haptoglobine.
La fétuine et l'haptoglobine sont des produits commerciaux vendus notamment par la Société SIGMA.
L'invention a également pour objet un nouveau matériau de chromatographie d'affinité constitué par un support solide sur lequel est fixé
un ligand ayant une affinité pour la toxine pertussis, caractérisé par le fait que ledit ligand est une protéine désialylée choisie parmi la fétuine désialylée et l'haptoglobine désialylée.
Ces protéines sont soumises, avant ou éventuellement après couplage avec le support solide, à un traitement de désialylation. Cette désialylation est effectuée par hydrolyse douce selon les méthodes connues ; voir par exemple SPIRO R.G. et al, J. Biol. Chem. 1974, 249, 5704-5717.
Le support solicle sur lequel est couplée la protéine désialylée peut etre tout support solide classique utilisé habituellement en chromatographie d'affinité.
Le support est par exemple un support polymérique constitué par Ull dérivé polyosidique, un polyacrylamide t un polymère ou copolymère conténant des motlfs N-acryloyl-2-amino-2-hydroxyméthyl-1,3-propanediol tel que les supports vendus par I.B.F.(Institut Biologique Fran~ais) sous les dés~gnations commerciales TRISACRYL*.
Parmi les dérivés polyosidiques utilisables on citera en particulier la cellulose, de dextran,* l1agarose, 12 sépharose* l'amidon, ainsi que les dérivés polyosidiques modlfiés par éthérification avec des dérivés d'alcool amine. Ces dérivés polyosidiques modifiés répondent à la formule schématique ~ ~ ~c Z)n \ ~ 3 dans laquelle R représente le reste du polyoside, n est un nombre entier pouvant varier de 1 à 10 et de préférence de 2 à 5, R1 et R2 représente un radical alkyle lnférieur ou un radical alkyle inférieur hydroxylé et m représente le nombre de groupements éthérifiants fixés sur la molécule polyosidique * (marque de cornmerce) S~35 ., .
Parml ces dérivés polyosidiques modiflés on citera par exemple la dléthylaminoéthyl cellulose (DEAE cellulose), le DEA~ dextran, le DEAE amidon, etc...
Les polymères utilisés comme supports peuvent Aetre eux-mêmes fixés sur un aupport minéral poreux constitué par exemple par un oxyde métallique tel que la silice, l'alumine, la magnésie, etc........ ou par des dérivés synthétiques ou naturels de ces oxydes tels que des verres, des silicates, des borosilicates, le kaolin9 etc...
Lesdits polymères peuvent être fixés sur le support minéral poreux par imprégnation, le revêtement de polymere étant ensuite, si nécessaire, stabilisé par réticulation selon des méthodes connues. L'agent réticulant est par exemple un composé dicarbonylé, une halohydrine, un diépoxyde, etc... Les polymères supports peuvent également être fixés sur les supports minéraux par l'intermédiaire d'agents de couplage bifonctionnels.
Les protéines désialylées peuvent aussi être fixées sur le support polymérique à l'aide d'un agent de couplage bifonctionnel approprié, selon les méthodes connues. Les agents de couplage sont par exemple des dérivés bifonctionnels tels que le bromure de cyanogène, des dialdéhydes, des diépoxydes, etc Les protéines désialylées peuvent aussi être fixées directement sur un support minéral poreux.
Par exemple, dans le cas d'un support de silice9 on prépare un dérivé aminoalkylsilane de la silice, et on peut alor~ fixer la protéine désialylée sur l'aminoalkylsilane à l'aide d'un agent bifonctlonnel tel qu~ le glutaraldéhyde ; voir par exemple P.J. Roblnson et al., Biochlm. Biophy~.
Acta, 242, 65S-fi61 (1971).
I.es protéines désialylées peuvent également être fixées sur des supports minéraux poreux selon la méthode décrite dans la demande de brevet francais 77.28163 (n de publication 2.403.098). Ce procédé consiste a revêtir un support minéral poreux d'un polymère polyosidique capable de donner lieu à
la réaction de coupure oxydante des groupements glycol à l'aide d'agents oxydants tels que les periodates. On obtlent alors un re~êtement polycarbonylé
et le ligand, par exemple la glycoprotéine désialylée, peut alors se fixer sur les groupements carbonylés formés. On peut ensuite, sl désire, réduire en amine le groupement imine formé.
L'inventlon a également pour obje~ un procédé de purification des antigènes protéiques des bactéries appartenant au genre Bordetella. Ce procédé
consiste essentiellement à mettre en contac~ une solution contenant lesdits antigènes protéiques avec un support de chromatographie d'affinité tel que défini précédemment, puis à recueillir ou à éluer les antigènes recherchés.

~ ~S~B5 On peut ainsi séparer la toxine pertussl~ qul se fixe sur le support de chro~atographie d'affinité tandis que le F-HA reste en solutlon~ puls éluer la toxine ~ereussls à l'aide dlun agent d'élution ayproprié.
On peut également utiliser le procédé de l'invention pour purifier S une fraction enrichle en F-HA de façon à la débarrasser de la toxine pertussis qu'elle est susceptible de contenir, cette dernière étant retenue par le support de chromatographie d'affinité. En séparant la solutlon obtenue après ~ise en contact avec le matériau de chromatographle, on obtient donc une solution purifiée de F-HA.
La solutlon de départ à purifier peut être par exemple le surnageant de culture de bactéries du genre Bordetella ou une solu~lon de toxine pertussis ou de F-HA partiellement purlfiée.
Pour purifier la toxine pertussls sur le support de chromatographie dlaffinité de lll~vention, on utilise une solution de départ dont le pH a été
ajusté à une valeur de 6-8, de préférence 7.
La quantité de support de chromatographie d'affinité utilisée est fonction du volume de surnageant initial et/ou de la concentration en toxine pertussis dans le milieu de culture ou dans la frac~ion utilisée comme produit de départ. Le contact est effectué en bain ou en colonne, à une température de

2-30C.
Pour éluer la toxlne pertussis fixée sur le support de chromatographie d'affinité de llinvention, on peut utiliser par exemple une solution tampon contenant, à une concentration suffisante, des sels et/ou agents chaotropiques classiques, par exemple le chlorure de magnéalum, ou bien un ~ampon carbonate ayant un molarité supérieure à 25mM et dont le pH est de llordre de 8,3 à 11,6.
Les exemples suivants illustrent llinvention sans eOutefOis la limiter.

Purification de toxine pertussis par chromatographie dlaffinité sur Sépharose 4B - asialofétuine~
a) Adsorption de la toxin~_~ertussis sur 1 dlaffinité
.
Une fraction enrichie en toxine pertussis obtenue après centrifugation et concentration dlune suspension bactérienne de Bordetella pertussis phase 1, cultlvée en fermenteur de 30 litres est passée sur une colonne de 4 cm de diamètre contenant 120m1 de support de chromatographie Sépharose 4B couplé à llasialofétuine~ avec un débit de 6 ml/cm2/heure.
Le Sépharose 4-B a é~é couplé à l'asialofétuine de la facon su$vante.

_ 5 ~ 5 30g de Sépharose-4B activé au CNBr (Pharmacia) sont mis à gonfler dans 6 litres de ~Cl lmM pendant 15 minutes environ. Le gel est ensuite lavé

3 fois par 6 litres de HCl 1m~1. 400 ml d'une solution contenant 1mg/ml d'asialofétuine, NaHC03 0,1 M et NaCl 0,5 M sont ajoutés au gel.
Le mélange est laissé à réagir à + 4C pendant une nuit sous agitation douce. 125ml d'une solution d'éthanolamine 5 M pH 8,0 sont ajoutés au mélange. Après 4 heures d'incubation à température ambiante, le gel est lavé successivement par 500ml de tampon acétate de sodium 0 9 1 M pH 4,0 contenant NaCl 1 M puis par 500ml de tampon Tris-HCl 50mM pH 7,5 contenant NaCl 1 M. Ce cycle de lavage est répété trois fois.
Le gel est ensuite lavé trois fois par 500ml de tampon Tris-HCl 50~
pH 7,5 en présence d'un conservateur tel le merthiolate à une concentration de 1/10 000 (p/v).
Le gel de Sépharose 4B couplé à l'asialofétuine est conservé à +4C
~5 dans un tampon tel qu'un tampon Tris-HCl 50mM pH 7,5 en présence d'un - conservateur, le merthiolate par exemple.
L'asialofétuine utilisée comme ligand dans la chromatographie d'affinité a été obtenue de la façon suivante :
Une solution aqueuse de fétuine (fétuine type III, Slgma) est hydrolysée par H2S04 0,05N pendant 1 heure à 80C Après hydrolyse, la solution est dialysée contre plusieurs bains d'eau distillée pendant 24 heures à ~ 4C afin d'éliminer les acides sialiques libres. La solution d'asialofétuine peut être concentrée par ultrafiltr~tion à l'aide d'un systeme équipé de membranes dont le seuil de coupure est égal à 10 000.
L'élimination des acides sialiques est contrôlée par un dosage colorimétrique spécifique des acides sialiques sur la protéine après et avant hydrolyse.
b) Elution de la toxine pertuss_ Le gel est lavé avec deux volumes de colonne de tampon Trls-HCl 50mM
pH i,5, c'est-à-dire jusqu'à dlsparition complète de l'absorption UV à 278 nm, puis avec un volume de colonne de tampon Tris-HCl 50~M pH 7,5 contenant NaCl 1 M. La toxine pertussis est éluée avec 400 ml de tampon carbonate 100 mM
pH 9,6.
La densité optique et l'activité hémagglutinante des Eractions collectées en sortie de colonne sont mesurées.
Les fractions contenant le principe actif, c'est-à-dire celles possédant une forte activité hémagglutinante non inhibée par le cholestérol, sont réunies.
La toxine pertussis est ensuite précipitée par le sulfate d'ammonium à une concentration finale correspondant à 70% de la saturation.
. ~
~ * (rnarque de commerce) S

La toxine pertussis ainsi purifiée induit une forte lymphocytose et sensibilise les souris CFW à
llhistamine à la dose de 0,04 ~g/sQuris. La capacité de la toxine d'induire la ~ormation de clusters sur des cel~ulss C~O est caractérisée par une activité spécifi~ue de l'ordre de 65 000 à 260 000 CPUj,ug.
Les résultats de contrôles physico-chimiques et dlactivités biologi~ues (dosages colorimétriques des éventuels contaminants, ADN, ARN, sucre; dosage du taux d'endotoxine, électrophorèse en milieu SDS ou en milieu acide, etc...) sont en faveur d'une préparation finale homogène renfermant un principe actif hautement purifié.
Les analyses de la teneur en toxine pertussis dans le surnageant de culture initial et dans le précipité final indi~uent un rendement de purification supérieur à 90~.
' Purification de ~oxine pertussis par chromatogra-phie d'affinité sur Sphérosil DEAE dextran-asialo~étuine.
a) Adsorption de la toxine sur le gel de chromatographie d'aE-finité/
Le pH de la fraction obtenue après centriEugation et concentration d'une suspension de Bordetella pertussis phase I est ajusté à 7,0 par addition d'une solution d'acide chlorhydri~ue 5 N. La fraction sst passée sur une colonne de 2 cm de diamètre contenant 60ml de support de chromatographie Sphérosil DEAE dextran couplé à l'asi-alofétuine, avec un débit de 60 ml x cm 2 x heure 1.
Le Sphérosil DEAE dextran (support constitué de billes de silice XOC 005 recouvertes avec un minimum de DEA~
dextran réticulé) a été couplé à l'asialofétuine de la -Façon suivante:
Le Sphérosil DEAE dextran est soumis ~ une ~z~sri~S
- 6a -oxydation ménagee afin de créer des fonctions aldéhydiques capables de reagir avec des groupements aminés du liyand.
L'asialofétuine en solution à 4mg/ml dans le tampon phosphate 10 mM pH 8,0 est mis en contact avec le gel pendant 15 heures à température ambiante. Le gel est ensuite lavé par les solutions suivantes:
- tampon phosphate 10 mM pH 8,0 - glycocolle 20 g/l, NaCl 0,17 M
- citrate de sodium 0,05 pH 2,8 HCl 0,1 N.
b) Elution de la toxine pertussis -Le gel est lavé par 120 ml de tampon Tris-HCl 50 mM pH 7,S puis par 70 ml de tampon Tris-HCl 50 mM
contenant du NaCl 1 M. La toxine pertussis est éluée par le tampon Tris-HC1 50 mM pH 7,5 contenant MgC12 4 M. La densité

optique à 278 nm et l'activité hémagglutinante des fractions collectées en sortie de colonne sont mesurées- Les fractions contenant l~ principe actif, c'est-à-dire celles possédant une actlvlté hémagglutinante élevée non lnhibée par le cholestérol, sont réunies.
Le mélange obtenu est dessalé par filtration sur gel sur une colonne de Séphadex G-25 (7,5 x 45 cm, PHARMACIA) équllibrée avec le tampon Tris-HCl 50mM pH 7,5. I.'élution est réalisée avec ce même tampon.
La densité optique à 278 nm et l'activité hémagglutinante des fractions collectées en sortie de colonne sont mesurées. Les fractions contenant la toxine pertussis, c'est-à-dire celles possédant une activité
hémagglutinante élevée, sont réunies.
Le principe actif est précipité par le sulfate d'ammonium par addition lente sous agitation de 47g de (NH4)2S04 par 100 ml de solution.
L'analyse des propriétés biologiques et physico-chimiques montre que le produit obtenu est un principe actif hautement purifié.

Elimination d'éventuelles traces de toxine pertussis dans une fraction enrichie en F-HA.
Les procédés classiques de puri~ication du F-HA, comme celui décrit par exemple dans la publication de SATO Y., COWELL ~,L., SATO H., BURSTYN D.G.
and MANCLARK C.R. "Separation and purificatlon of the hemagglutin1ns ~ro~
Bordetella pertussis" Infect. and Immun., 1983, 41, 1, 313-320, comportent une étape de désorption du F-~ à par~ir d'un support chromatographique tel l'hydroxyapatite a~ec le tampon phosphate 100 mM pH 7,0 contenant ~aCl 0,5 M.
La denslté optique a 278 nm et l'activité hé~agglutinante des fractlons recueillies en sortie de la colonne d'hydroxyapatite sont mesurées.
Les fractions contenant le F-HA, c'est-à-dlre celle possédant une activité
hémaggutinante élevée et inhibée par le cholestérol, sont regroupées.
Dans la présente invention, afin d'éliminer les dernières traces de toxine pertussis éventuellement présentes, le mélange des fractions contenant le F-~ est passé sur une colonne de Sépharose 4B- asialofétuine. Le F-HA est élué directement, alors que les éventuelles traces de toxine son~ retenues sur la colonne.
Le F-HA est alors précipité par le sulfate d ammonium en ajoutant lentement, sous agitation, 47g de ~NH4)2S04 pour lOOml de solution.
Le F-HA alnsi purifié n'induit ni lymphocy~ose, ni senslbilisation à
l~histamine à la dose de lOO~g/souris. A la concentration de lOO~g/ml, le F-HA
ne provoque pas de modification dans l'aspect du tapis cellula~re constitué-de * ~mar~ue de commerce) 5~

cellules d'ovaires de hamster (CH0), c'est~à-dire la ar~ation d'amas cellulalres dlts "clusters" caractéristiques de la présence de toxlne pertussls. Son activité spécifique hémagglutinante mesurée sur érythrocytes d'oie est de l'ordre de 250 000 à 500 000 unités HA/mg de protéine. Cette activité est to~alement inhibée par le cholestérol.

, _ Etude comparative de la capacité de fixation de la toxine pertussis par les supports de chromatographie d'affinité à base de fétuine et d'asialofétuine.
Un gel de chromatographie d'affinité a été préparé par immobilisation d'asialofétuine sur du Sépharose-4B activité au CNBr(Pharmacia) selon la technique décrite à l'exemple 1.
Parallèlement, d~ fason analogue, un gel de chromatographie d'affinité a été préparé avec de la fétuine.
La fixation de la fé~uine et la fixation de l'asialofétuine ont été
réalisées dans des conditions expérimentales identiques de fason à obtenir sur les gels des densités de ligand comparables. Une étude comparative de la capacité des gels obtenus a été réalisée. Les résultats sont résumés dans le tableau suivant dans lequel on a attribué arbitrairement l'efficacité 100 pour le gel à l'asialofétuine.

: : Capacité relative : : du gel (%) -: Fétuine-Sépharose-4B : 79 : Asialofétuine~Sépharose-4B : 100 Les valeurs indiquées sont le résul~at d~ deux déterminations.
Chaque expérience a éte réalisée en parallèle sur les deux types de supports en les mettant en contact avec un même volume de surnagean~ de culture contenant de la toxine pertussis. La quantité de toxine pertussis éluée a été
déter~inée par un dosage de protéine et par une méthode immunoenzymatique (ELISA).

Claims

1. Procédé de purification des antigènes protéiques des bactéries du genre Bordetella, caractérisé
par le fait qu'il consiste à mettre en contact une solution contenant lesdits antigènes protéiques avec un matériau de chromatographie d'affinité constitué par un support solide sur lequel est fixé un ligand ayant une affinité pour la toxine pertussis, ledit ligand étant une protéine désialylée choisie parmi la fétuine désialylée et l'haptoglobine désialylée, puis à recueillir ou à éluer les antigènes recherchés.

2. Procédé de purification des antigènes protéiques des bactéries du genre Bordetella, caractérisé
par le fait qu'il consiste à mettre en contact une solution contenant lesdits antigènes protéiques avec un matériau de chromatographie d'affinité constitué par un support solide sur lequel est fixé un ligand ayant une affinité pour la toxine pertussis, ledit ligand étant une protéine désialylée choisie parmi la fétuine désialylée et l'haptoglobine désialylée et ladite protéine désialylée étant fixée sur un support polymérique, puis à recueillier ou à éluer les antigènes recherchés.

3. Procédé de purification des antigènes protéiques des bactéries du genre Bordetella, caractérisé
par le fait qu'il consiste à mettre en contact une solution contenant lesdits antigènes protéiques avec un matériau de chromatographie d'affinité constitué par un support solide sur lequel est fixé un ligand ayant une affinité pour la toxine pertussis, ledit ligand étant une protéine désialylée choisie parmi la fétuine désialylée et l'haptoglobine désialylée, ladite protéine désialylée étant fixée sur un support polymérique et ledit support polymérique étant fixé
sur un support minéral poreux, puis à receuillir ou à éluer les antigènes recherchés.

4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'après mise en contact de ladite solution avec le matériau de chromatographie, on élue la toxine pertussis.

5. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que la solution de départ est une fraction enrichie en F-HA, et qu'après mise en contact de ladite solution avec le matériau de chromatographie, on sépare une solution purifiée de F-HA débarrassée de toxine pertussis.