Clonagem, superexpressão, purificação e caracterização da proteína recombinante humana fator estimulador de colônias de granulócitos

Abstract

The granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) is a hematopoietic cytokine that acts on cells of the neutrophil lineage causing proliferation and differentiation of committed precursor and activation of mature neutrophils. The hG-CSF is an 18. 8 kDa protein consisting of 174 amino acid polypeptide chain with two intra-molecular disulphide bonds and one free cysteine at residue 17. This biopharmaceutical has been widely used with success in oncology patients who receive high-dose chemotherapy. It is also used as treatment and prophylactically to improve the immune system in patients with HIV, pneumonia, diabetic foot infections, leukemia and febrile neutropenia. Based on this large clinical application, the recombinant hG-CSF has been produced in genetically engineered Escherichia coli and was approved for use in chemotherapyinduced neutropenia by the U. S Food and Drug Administration in 1991. Filgrastim (generic name of G-CSF) lost its patent protection in 2006 becoming a target of Brazilian pharmaceutical industries. Currently, Brazil is totally dependent of the importation of this biopharmaceutical. Therefore, the aim of this work is to develop a methodology for subsequent production of a national Filgrastim. In this work the granulocyte colonystimulating factor gene was assembled by PCR, Its amplicon was cloned into pET23a(+) expression vector using NdeI and BamHI, restriction enzymes. The overexpression was tested in different strains of E. coli cells and the best condition for expression of the protein was in the BL21(DE3) strain. In order to solubilize the inclusion bodies and purify the protein, many protocols have been tested. Finally, it was described an efficient protocol of isolation of inclusion bodies through a multi-step washing procedure and purification method of the recombinant protein from inclusion bodies using only a cationic exchange column. The immunoassay and N-terminal sequencing confirmed the identity of rhG-CSF. Characterization of homogeneous rhG-CSF using SEC-HPLC and RP-HPLC has shown similarity to the international standard. The biological activity assay, in vivo, has shown an equivalent biological effect to those obtained with the standard reference rhG-CSF. The protein rhG-CSF was produced through simple, cost effective and economically feasible process of rhG-CSF, which has extreme importance to the industrial process and healthcare community.

O fator estimulador de colônias de granulócitos (G-CSF) é uma citocina hematopoiética que age sobre a linhagem de neutrófilos promovendo proliferação e diferenciação de seus precursores e ativação dos neutrófilos maduros. O G-CSF é uma proteína com 18,8 kDa, constituída por 174 aminoácidos possuindo duas pontes dissulfeto intra-moleculares e uma cisteína livre no resíduo 17. Este biofármaco tem sido empregado com sucesso em pacientes com câncer que recebem altas doses de quimioterapia. Além disso, também tem sido usado como tratamento ou profilaticamente a fim de reforçar o sistema imune em pacientes com HIV, pneumonia, pacientes diabéticos com infecções nos pés, leucemia e neutropenia febril. Em função desta ampla aplicação clínica, hG-CSF recombinante tem sido produzido por engenharia genética em Escherichia coli e foi aprovado para uso em neutropenia provocada por quimioterapia pelo FDA em 1991. Filgrastima (nome genérico do G-CSF) teve sua patente expirada em 2006, tornando-se alvo das indústrias farmacêuticas. Atualmente, o Brasil é totalmente dependente da importação deste biofármaco. Logo, o objetivo deste estudo é desenvolver uma metodologia para a posterior produção de uma Filgrastima nacional. Neste trabalho, o gene para hG-CSF foi construído por PCR, clonado no vetor de expressão pET23a(+), usando as enzimas de restrição NdeI e BamHI. Os testes de superexpressão foram realizados em diferentes cepas de E. coli, mostrando a melhor condição de expressão na fração insolúvel na cepa BL21(DE3). Na tentativa de solubilizar os corpos de inclusão e purificar a proteína, inúmeros protocolos foram testados. Por fim, foi descrito um eficiente protocolo de isolamento e solubilização dos corpos de inclusão por um processo de múltiplos passos de lavagem e um método de purificação usando somente uma coluna cromatográfica de troca catiônica. A identidade da proteína foi confirmada por seqüenciamento N-terminal e Western blotting. A caracterização do rhG-CSF homogêneo, através de SEC-HPLC e RP-HPLC, mostrou resultados similares aos do padrão internacional. O teste de atividade biológica, in vivo, demonstrou que o rhG-CSF produzido tem potencial equivalente ao padrão internacional utilizado. A proteína foi produzida por um processo simples e econômico, sendo de extrema importância em um processo industrial, podendo trazer benefícios para a saúde da população.