在乳腺癌检测人类白细胞抗原生物标志物的利用无标记生物传感技术

摘要

完整的I类HLA /肽复合物是由肿瘤细胞脱落，代表了潜在的癌症相关的生物标志物。利用无标记传感器技术和T细胞受体的模仿的单克隆抗体，检测棚-MIF / HLA-A *的02:01配合在MDA-MB-231细胞上清液，掺入人血清，并且患者血浆证明，有利的发展一种新型癌症诊断平​​台。

摘要

据美国癌​​症协会，超过200,000名妇女将被诊断为每年浸润性乳腺癌和大约40,000将死于这种疾病。人类白细胞抗原（HLA）I类样本从细胞蛋白的蛋白酶体降解的肽和通过循环细胞毒性T淋巴细胞（CTL）的呈现在细胞表面上对询问这些片段。的T细胞受体模拟物代（TCRM）单克隆抗体（mAb），其识别乳腺癌特异性肽/ HLA-A * 02:01配合物，例如那些由巨噬细胞迁移抑制因子（MIF _19-27）和NY-ESO-衍生1 _157-165能够检测和破坏乳腺癌细胞在缺乏有效的抗肿瘤CTL应答。完整的I类HLA /肽复合物是由乳腺癌细胞脱落，代表潜在相关的癌症生物标志物。在这项工作中，对于癌症的诊断突破生物标志物筛选系统š掺入T细胞受体模拟物的单克隆抗体结合使用导模谐振（GMR）传感器技术的新颖，无标记生物传感器呈现。检测棚-MIF / HLA-A *的02:01配合在MDA-MB-231细胞上清液，掺入人血清，和患者血浆是证明。这项工作的影响，可以通过发展配套病诊断有针对性的免疫疗法彻底改变个性化的药。

引言

从细胞内蛋白质剧目的蛋白酶体降解衍生的长度8-11个氨基酸的I类人类白细胞抗原（HLA）的样品的肽和呈现每核细胞^1,2的表面上这些肽。与HLA复合体是"自然的生物标志物"，指示每个小区的健康（ 图1），以循环的细胞毒性T淋巴细胞（CTL）。识别相关疾病肽结果消除由CTL违规细胞。因此，适应性免疫应答是消除病毒感染和肿瘤非常有效。然而，免疫系统施加压力，该压力经常促进选择的病毒或肿瘤能够回避有效的CTL反应的。 T细胞受体模仿（TCRM）单克隆抗体（mAb），其识别特定肽/ HLA-A * 02:01配合物，例如那些来自乳腺癌相关蛋白，巨噬细胞迁移抑制因子衍生（MIF_^19-27）3和NY-ESO-1 _157-165，使得能够检测和破坏乳腺癌细胞在缺乏有效的抗肿瘤CTL应答^4,5。这代表工作的重点是HLA-A * 0201分子，这是由人口高达30％来表示。然而，识别其他相关的HLA /肽复合物，接着通过生产TCRM使得能够有针对性的免疫疗法和同伴疾病诊断的发展，扩大这项工作的效用，以更广泛的人群。

开往细胞表面上的肽/ HLA复合物的一部分被释放到血浆中。由于肽/ HLA池，现有的方法为挖掘immunopeptidome用于HLA相关联的生物标志物的高度复杂性是费时的。这个过程需要从血浆可溶性HLA的亲和纯化的HLA相关肽通过反相高压液相色谱法分离（RP-HPLC）和肽测序通过串联质谱（MS / ^MS）6,7。虽然这个过程是一个可行的选择的新的治疗目标的发现，它是一个麻烦的过程作为对HLA相关目标已经在治疗性疫苗或生物制药管道^8-10伴侣诊断工具。 TCRM针对这些目标提供了针对分层患者到相关的临床试验，并提供更明智的治疗选择快速伴随诊断的开发工具。

在这项工作中，对于癌症的诊断突破生物标志物筛选系统，提出了利用TCRM和无标记生物测定系统，用于监视以最小的处理步骤的生物相互作用。在无标记生物测定系统是基于一种方法，它利用发生在电介质波导光栅^11-14的导模谐振（GMR）效应。当宽带光接触衍射光栅中所需的用于该系统的板，两个特定波长的光被反射。固定化的受体及其配体之间的结合相互作用是实时通过跟踪共振波长偏移用频谱分析仪¹²监测。独立共振峰发生对入射的TE（电矢量垂直于入射平面）和TM（磁矢量垂直于入射平面）偏振状态提供多个数据点可以潜在地提高检测精度^11,14。在该标签的无测定系统使用抗体预致敏板，具有数据分析测定运行时间大约是45分钟。另外，多个患者样品可以询问在96或384孔格式，具有明显的优势比的HPLC-MS / MS基于格式。

研究方案

伦理学声明:不标明身份的人体组织和​​血浆样本来自亨德里克医疗中心根据机构审查委员会批准获得协议。

1.加生物素抗体

注:该步骤监测是可选的。见备选方案，如果没有监控。

1. 获得市售抗生物素的衍生物涂层板（见材料和设备表 ）。
2. 添加50微升磷酸盐缓冲盐水（PBS）pH为7.2至孔中。
   注意:预温育的PBS在28℃下，以尽量减少与温度相关的共振位移。
3. 开放的生物测定扫描仪软件，然后按照安装向导来定义实验程序，其中包括精选的空白，标准和样品板布局，温度设置（28°C），每分钟的扫描次数（1），与实验长度（ 150分钟，以容纳用于制备步骤）。
4. 插入制备测定板到标签游离生物测定扫描仪并启动第一扫描。当第一次扫描完成后，选择"自我引用开始"。基线是初始设定在实验开始收集扫描。如果这是在这个特定的盘进行第一读取，允许扫描器运行以平衡温度和消除漂移的基线。参见图2基线之后样品添加的屏幕截图。
5. 后基线已经稳定，或至少5扫描，暂停读取和弹出盘。
6. 除去PBS倾倒在水槽，并添加50微升RL21A生物素化的抗体在所有，但在板的对照孔[在PBS pH 7.2的10微克/毫升]。添加50微升PBS中至对照孔。
7. 板将回到生物测定扫描仪并继续阅读直至饱和，约1.5小时。
8. 暂停读取和弹出板。
9. 洗板3次，用200μl/孔的磷酸盐缓冲盐水+ 0.05％吐温20（PBST），接着漂洗3次用200μl/孔PBS pH值7.2。重复用PBS。点击多余的PBS从平板上之前，移动到下一个步骤纸巾。
   注意:此步骤可以在一个自动洗板机来执行，或者通过倾倒液体成片和用吸管代替PBST洗涤平板3次，用200μlPBST。
10. 加入50微升PBS pH值7.2至所有活动的水井。
11. 板将回到生物测定扫描仪并继续阅读监视后洗共鸣。
12. 停止读取并弹出板。

替代协议第1步:

13. 加在[10微克/毫升的PBS]将50μlRL21A生物素化抗体对所有孔中。
14. 在室温下孵育1.5小时或过夜，在4℃。
15. 用200μl洗涤平板3次/孔的PBST随后漂洗3次用200μl/孔PBS如在步骤1.9。

jove_title"> 2。加分析物

1. 移除PBS并加入每适当分析缓冲液以及50μl的。对于该测定，可商购的正常人血清，使用在PBS中稀释1:20。
2. 开放的生物测定扫描仪软件，然后按照安装向导来定义实验过程。
3. 插入板进入生物测定扫描仪并开始一个基线读取。如果这是在这个特定的板块进行的第一次读，让扫描仪运行平衡温度，消除漂移基线。
4. 后基线已经稳定，或至少5扫描，暂停读取和弹出盘。
5. 除去从孔的分析缓冲液。
6. 与钉对照的HLA A * 02:01单体轴承相关（FLSL）或不相关的（SLLV，YLEV或KVL）肽浓度范围为[0.625-10微克/毫升]在测定缓冲液。添加50微升标准的板的对照孔
7. 在测定缓冲液中加入50微升分析物与样品板的孔中。对于该测定法，掺入市售人血清，使用。
8. 板将回到生物测定扫描仪并继续阅读直至饱和，约30-60分钟。
9. 暂停读取和弹出板。
10. 用200μl洗涤平板3次/孔的PBST随后漂洗3次用200μl/孔PBS如在步骤1.9。
11. 加入50微升试验缓冲所有活动的水井。
12. 板将回到生物测定扫描仪并继续阅读监视后洗共鸣。
13. 停止读取并弹出板。
    注:测定缓冲液可以是PBS中，组织培养介质，或人血清根据测定的目标在PBS中1:20稀释。

3.数据分析

1. 使用生物测定扫描仪软件或导出原始数据文件到首选统计分析软件进行分析。生物测定仪软件会自动生成基础上，结合曲线实验安装过程中提供的板布局。
   注意:如果不使用生物测定扫描仪软件进行分析，按照步骤3.2-3.4。
2. 减去基线和阴性对照来自每个随后的数据点。
3. 计算平均值和标准偏差为重复孔在每个时间点。
4. 生成结合曲线或选择结束点的数据为条形图的曲线图。

结果

01分子^3:使用充分表征的TCRM，RL21A，一个鼠IgG2a单克隆抗体，其特异性识别的肽（MIF _19-27或FLSL）的HLA-A * 02的上下文中进行的代表性组实验。同源肽/ HLA单体，以及不相关的HLA单体^15，被用来证明所述的过程。 图3示出了测定形式。

RL21A是特异于FLSL / HLA单体很少的交叉反应性与其他的肽/ HLA复合物^3。这种特殊性是使用无标记的生物测定系统（ 图4）概括。该实验的标签游离生物测定系统的灵敏度是在低纳摩尔范围如通过在固定化FLSL / HLA单体（ 图5）的RL21A抗 ​​体的滴定法测定。虽然背景信号的血清样品中显著增加，Specific检测尖刺人血清FLSL / HLA单体是在图6中实现的，并具有浓度梯度是容易辨别这些样品中。最后，来自MDA-MB-231细胞系的上清液，先前表明呈现FLSL / HLA-A * 02:01的分子，示出了使用这种标签的分类测定平台（ 图7），以含有可溶性FLSL单体。随后加入FLSL / HLA单体的增加（ 图7）上RL21A信号。由于该系统的灵敏度，以及向井变化包括观察如在图4和5的标准偏差的函数，则会发生由于温度波动而导致的负谐振移位。这些变化可以显着地由预孵育所有样品和所述生物测定读板器在稍过量的室温（ 即 28℃）降低的温度。

在图8中 ，简单地说，96- 嗯聚苯乙烯板用[10微克/毫升] RL21A的2小时，在室温下，用PBST洗涤，阻断用0.5％的低脂肪牛奶，用PBST洗涤，并在室温下用连续稀释的培养2小时FLSL的HLA单体在正常人血清1:10稀释在PBS中，以产生标准曲线或患者血浆在PBS中1:10稀释。将板用PBST洗涤，孵育1小时，在室温下，用兔抗人β2微球蛋白[1:5000〕，以检测完整的HLA，并在PBST中洗涤。然后将板孵育30分钟，用山羊抗兔IgG [1:10,000]和用PBST洗涤。使用ABTS（2,2'- Azinobis [3-乙基苯并噻唑-6-磺酸] -diammonium盐）基片用15分钟温育时间，并在上一酶标仪405nm处观察到的，进行比色检测。 FLSL / HLA在三个病人的样品进行检测。

在图8B中 ，患者血浆RL.064物以1:20稀释在PBS中，然后添加编到板和无标记检测器上60分钟监测。具体检测的病人血清FLSL / HLA复合物来实现的。利用图表和统计软件（P <0.05）进行t检验。

在图8C中 ，组织切片进行染色，在1μg/ ml的小鼠抗HLA-A2（BB7.2）作为阳性对照，RL21A，的IgG2b和IgG2a分别作为阴性对照。使用抗小鼠检测试剂盒，DAB（diaminobenzadine）和苏木QS对核染色的指示由生产染色进行检测。通过RL21A肿瘤组织染色证实呈现FLSL / HLA复合物。

图1:肿瘤抗原呈递由I类人类白细胞抗原癌性变换是一种细胞内紊乱。 HLA样本intracellulAR蛋白和揭示在细胞表面与癌症相关的变化。 CTL和TCRM能够通过的HLA肽复合物独特的那些细胞识别癌细胞。

图2:示出了初始的基准数据采集中的生物测定扫描仪软件的数据采集的截图示例扫描随后RL21A抗 ​​体除涂有FLSL / HLA复合物为10μg/ ml的板。抗体的浓度表示。每一行代表一个单独的监控以及随着时间的推移。

图3:试验格式插图抗体固定在测定板捕获相对的衍射光栅表面埃文特肽/溶液中HLA复合体。

图4:特异性RL21A的FLSL / HLA复杂的示范生物素RL21A TCRM的特异性及其相关（FLSL）HLA单体相比无关HLA单体（YLEV，SLLV和KVL）的。生物素化的RL21A TCRM [10微克/毫升]的固定化的抗生物素蛋白涂覆的试验板表面上，并利用未标记的相关或不相关的HLA单体[10微克/毫升]在PBS中进行检测。 RL21A是特异于FLSL / HLA复合。双向ANOVA，使用绘图和统计软件（P <0.001）进行。

图5:结合RL21A敏感性与其同源肽/ HLA复合插图的检测系统，效的对限制和约束RL21A的敏感性，FLSL / HLA复杂。生物素化的HLA单体FLSL [10微克/毫升]被固定在测定板表面上的和未标记RL21A加入到该板在PBS中连续稀释所指示的。检测该系统是在低纳摩尔范围。

图6:在尖刺人血清示范HLA在人血清中检测的检测的HLA配合物 。生物素化的RL21A TCRM [10微克/毫升]的固定化的抗生物素蛋白包被测定板表面上。合并的正常人血清掺有相关（FLSL）或不相关的（SLLV）的HLA单体，以1:20稀释在PBS中，然后添加至板，并在无标记检测器上60分钟监测。特异性检测人血清中FLSL / HLA复合物来实现的。在一般情况下，背景信号（不相干SLLV单体）是高呃用于稀释的血清样品相比，在PBS中纯化的分析物（参见图4）。双向ANOVA，使用绘图和统计软件（P <0.0001）中进行。

图7:在乳腺癌细胞培养物上清液中检测到可溶性HLA复合物来检测的HLA乳腺癌细胞上清液的能力证实。生物素化的RL21A TCRM，RL9A TCRM（阴性对照），和同种型对照被固定在测定板表面上。掺入[5微克/毫升]和无稀释剂的MDA-231细胞培养上清中加入并结合被监测的无标记检测器上60分钟。 FLSL和SLLV HLA单体飙升样本代表了RL9A和RL21A结合阳性对照。单向ANOVA，使用绘图和统计软件（P <0.0001）中进行。

图8:特异性检测患者样品中FLSL / HLA复合物（A）传统的酶联免疫吸附试验（ELISA）是用来检测FLSL / HLA复合物的特定病人的血浆。 （B）中的生物素化RL21A TCRM或IgG2a的[10微克/毫升]被固定在抗生物素蛋白测定板。如前所述³验证FLSL / HLA复合物的肿瘤呈现（C）从病人RL.064乳腺肿瘤组织染色。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

本文所描述的方法引入了对癌症的诊断，这将使在高通量快速检测的病人血清，血浆，尿或唾液样品中的可溶性肽/ HLA复合体96或384孔形式的生物标记物筛选系统。这利用T细胞受体模仿单克隆抗体和一个无标记检测系统的检测系统切分析时间小于1小时相比3.5小时通过常规的ELISA。这种高通量方法使患者对治疗性癌症疫苗或生物药品临床试验的快速分层。目前的方法对这些疾病指标的检测需要个体患者的样品中，既麻烦又费时的过程的亲和纯化和HPLC-MS / MS。虽然这种方法是适合于常规ELISA技术，人们关心的是次要的检测试剂，如抗β2微球蛋白抗体可以改变新生HL的结构一个分子，抑制绑定到TCRM限制检测。无标记检测减轻这些问题。此过程可被修改为在其他无标记系统中使用，如表面等离子体共振系统。然而，相对于在该研究中使用的生物测定系统中，这会大大降低了更高的吞吐量能力。

该协议可以有效地改性的非生物标记的HLA在患者血清和血浆中的检测用粘附到几个关键步骤。初始抗体涂覆过程的监控，建议对于表面的优化，作为<200时移将很可能导致低信号用于随后的检测步骤。如血清蛋白的丰度可能掩盖低浓度分析物的结合的基线和后洗读取都为端点分析是有用的。最后，样品的温度变化可导致井到井变化。建议在所有的样品进行预温育一D中的标签自由biosassay部温度控制器设定在2-3℃的高于室温的温度下进行。冷藏样品应允许足够的时间来达到工作温度。

该协议的未来修改将包括TCRM的板面复。生物测定系统目前适合于井在至少8丛的密度点样。通过引入4-8 TCRM到每个孔中，每个测试样品体积被减少，使每名病人的日益复杂的数据的收集。这种能力可进一步告知患者对于治疗选择。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Name of the Material/Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description (optional)
ResoSens Label-free Bioassay Detection System	Resonant Sensors Incorporated
Avidin Sensitized Bionetic 96-well Plates	Resonant Sensors Incorporated
ResoVu software	Resonant Sensors Incorporated
RL21A Biotinylated TCRm mAb	PureMHC, LLC
RL9A Biotinylated TCRm mAb	PureMHC, LLC
FLSL HLA-A*02:01 Monomer	Experimmune		full peptide sequence: FLSELTQQL
SLLV HLA-A*02:01 Monomer	Experimmune		full peptide sequence: SLLMWITQV
YLEV HLA-A*02:01 Monomer	Experimmune		full peptide sequence: YLEPGPVTV
KVL HLA-A*02:01 Monomer	Experimmune		full peptide sequence: KVLEYVIKV
Pooled Normal Human Serum	ThermoFisher	BP2657100
MDA-MB-231 Cell Supernatant	ATCC	HTB-26	Cells grown in IMDM , 10% FBS and 1% penn/strep. Supernatants harvested from 3 day confluent cultures.
Iscove's Modification of Dulbecco's Medium (IMDM)	Life Technologies	12440-053
Fetal Bovine Serum (FBS)	Life Technologies	10082-147
Penicillin/Streptomycin	Life Technologies	15070-63
Sodium Hydroxide	ThermoFisher	5318-1
Phosphate Buffered Saline (PBS)	ThermoFisher	BP665-1
Phosphate Buffered Saline + 0.05% Tween 20 (PBST)	ThermoFisher	BP337-500
2,2’-Azinobis [3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid]-diammonium salt (ABTS)	ThermoFisher	37615
rabbit anti-human β2 microglobulin	Dako	A0072
Peroxidase conjugated goat anti-rabbit IgG	Jackson Immunoresearch	111-035-144
Nunc  microplates	ThermoFisher	439454
Synergy 2 microplate reader	Biotek
Immpress Reagent Kit	Vector	MP-7402
Immpact DAB	Vector	SK-4105
Hematoxylin QS	Vector	H3403
IgG2a	MP BioMedicals	50328
IgG2b	MP BioMedicals	50330
anti-HLA-A2 (BB7.2)	Experimmune
Prism 5	Graphpad