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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Dieses Protokoll beschreibt die anpassbare Herstellung und Verwendung von Fluoreszenzsonden zur Markierung antigenspezifischer B-Zellen.
Die Produktion von fluoreszierenden Antigenen ist ein entscheidender Schritt bei der Identifizierung antigenspezifischer B-Zellen. In diesem Artikel haben wir die Herstellung, Reinigung und Verwendung von vierarmigen, fluoreszierenden PEG-Antigen-Konjugaten zur selektiven Identifizierung antigenspezifischer B-Zellen durch avide Interaktion mit verwandten B-Zell-Rezeptoren detailliert beschrieben. Unter Verwendung modularer Click-Chemie und kommerziell erhältlicher Fluorophor-Kit-Chemie haben wir die Vielseitigkeit der Herstellung von kundenspezifischen fluoreszierenden PEG-Konjugaten demonstriert, indem wir unterschiedliche Arrays für Proteolipidprotein (PLP139-151) und Insulin erstellt haben, die wichtige Autoantigene in Mausmodellen für Multiple Sklerose bzw. Typ-1-Diabetes sind. Für jedes fluoreszierende Konjugat in seinem jeweiligen Krankheitsmodell wurden mittels Durchflusszytometrie Assays entwickelt. Antigen-Arrays wurden mit monovalenten Autoantigenen verglichen, um den Nutzen der Multimerisierung auf PEG-Rückgrate zu quantifizieren. Schließlich haben wir den Nutzen dieser Plattform veranschaulicht, indem wir Anti-Insulin-B-Zell-Antworten nach Antigenstimulation ex vivo isoliert und bewertet haben. Die Markierung insulinspezifischer B-Zellen ermöglichte den verstärkten Nachweis von Veränderungen der Co-Stimulation (CD86), die sonst in der aggregierten B-Zell-Analyse gedämpft wurden. Zusammen ermöglicht dieser Bericht die Herstellung und Verwendung von fluoreszierenden Antigen-Arrays als robustes Werkzeug für die Untersuchung von B-Zellpopulationen.
Das adaptive Immunsystem spielt eine entscheidende Rolle bei der Progression oder Rückbildung vieler Krankheitszustände, einschließlich Autoimmunität, Krebs und Infektionskrankheiten1. Für breite Anwendungen, einschließlich der Erforschung der Immunpathologie oder der Entwicklung neuer Präzisionsbehandlungen, ist es oft entscheidend, antigenspezifische B- und T-Zell-Antworten zu bewerten, die dem Fortschreiten der Erkrankung zugrunde liegen 2,3,4. Tetramere des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) sind für die Identifizierung antigenspezifischer T-Zell-Klone weit verbreitet und kommerziell verfügbar5. Diese Fluorophor-markierten Konstrukte präsentieren quadrivalente Peptid-MHC-Komplexe, die eifrig mit verwandten T-Zell-Rezeptoren für Markierungsanwendungen wie Mikroskopie und Durchflusszytometrie interagieren.
Antigene für die B-Zell-Abfrage können sehr unterschiedliche Molekulargewichte, Ladungen und Löslichkeiten aufweisen 6,7. Bei der Verwendung von monomeren Antigenen als lösliche B-Zell-Sonden können die physikalisch-chemischen Antigeneigenschaften durch Komplexierung mit dem viel größeren, wasserlöslichen Streptavidin-Molekül nicht stabilisiert werden oder als monomere Reagenzien vor der Konjugation Löslichkeitsprobleme aufweisen. Daher weisen einige Proteine in der Praxis Schwierigkeiten bei der Biokonjugation und unerwartete Ergebnisse auf 7,8. Die direkte Konjugation von Fluoreszenzfarbstoffen kann Konstrukte manchmal wasserunlöslich und lipophil machen. Diese direkten Farbstoff-Antigen-Verbindungen sind anfällig für unspezifische Einbettungen in Zellmembranen, was antigenspezifische Analysen verwirrt 7,8,9. Einige Strategien haben die Herausforderungen der Löslichkeit überwunden, indem sie Antigene und Fluorophore mit anderen funktionellen Gruppen gekoppelt haben. Cambier et al. setzten beispielsweise biotinyliertes Insulin in seiner nativen Form ein, um mit insulinspezifischen B-Zell-Rezeptoren (BCRs) in Kontakt zu treten, bevor sie Fluorophor-markiertes Streptavidin schrittweise hinzufügten10. Während dieser Ansatz die Beurteilung von B-Zellen, die an monomeres Insulin binden, mit hoher Auflösung ermöglichte, waren zwei Markierungsschritte erforderlich. Ein verallgemeinerbares Protokoll für die Herstellung gebrauchsfertiger polymerbasierter B-Zell-Sonden, das sich leicht in gängige Verfahren zur Markierung von fluoreszierenden Antikörpern integrieren lässt, wäre von Vorteil für die weitere Erforschung von B-Zellen bei Krankheiten.
In diesem Protokoll beschreiben wir die Herstellung und Verwendung von fluoreszierenden Antigen-Arrays (FAAs) für die verallgemeinerbare und einstufige Markierung von antigenspezifischen B-Zellen für Mikroskopie- und Durchflusszytometrie-Experimente (Abbildung 1). Lösliche Antigen-Arrays (SAgAs) wurden in den letzten zehn Jahren als B-Zell-gerichtete antigenspezifische Immuntherapien gegen Autoimmunerkrankungen eingesetzt 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22 . SAgAs nutzen die multivalente Antigendarstellung auf flexiblen, polymeren Rückgraten, um B-Zell-Rezeptoren eifrig zu aktivieren und immunmodulatorische Effekte hervorzurufen, obwohl ihre Antigenspezifität eine weitere Möglichkeit bietet, B-Zellen von Interesse zu untersuchen, wenn sie an ein Fluorophorgekoppelt sind 23. Das polymere Rückgrat, aus dem SAgAs bestehen, verleiht dem gesamten Biomakromolekül Wasserlöslichkeit und kann die manchmal extremen Antigeneigenschaften dämpfen, die die Sondengenerierung und die Färbespezifität verwirren 6,24. Wir haben zahlreiche Antigene unterschiedlicher Größe und Komplexität mit modularer Click-Chemie auf die SAgA-Plattform gepfropft, was für die Verwendung von kleinen Peptidepitopen und vollständigen Proteinen förderlich ist14,18. Hier zeigen wir FAAs als robuste antigenspezifische B-Zell-Markierungswerkzeuge, die parallel zur typischen Fluoreszenz-Antikörper-Markierung verwendet werden können. Wir erstellten und bewerteten FAAs, bestehend aus humanem Insulin zur Markierung von B-Zellen in einem transgenen Mausmodell für Typ-1-Diabetes (VH125), sowie FAAs, die das Proteolipidprotein 139-151 (PLP), ein Peptidepitop für experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), das Mausmodell von Multipler Sklerose, enthielten. Unsere Absicht bei der Verwendung dieser Krankheitsmodelle war es, die Vielseitigkeit dieser Plattform zu demonstrieren, sowohl für die modulare Substitution der verwendeten Antigene als auch für die Machbarkeit des Einsatzes mit Peptid-Epitopen (PLP) und Vollproteinen (Insulin). Dieses Protokoll wird mit dem Ziel der Zugänglichkeit vorgelegt, ohne dass umfangreiche Biokonjugationskenntnisse erforderlich sind. Die Reagenzien sowie die Synthese- und Aufreinigungsmethoden sind so konzipiert, dass sie vielseitig einsetzbar sind und in den meisten Forschungslabors mit Schwerpunkt Chemie, Molekularbiologie oder Immunologie leicht implementiert werden können.
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Alle in dieser Arbeit vorgestellten Tierverfahren wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee an der University of Kansas genehmigt.
1. Antigen-Array-Synthese (4–6 Tage)
2. Fluorophor-Konjugation (1–2 Tage)
3. FAA-Charakterisierung (2–4 h)
4. Entwicklung des Assays durch FAA-Titration (3–5 h)
HINWEIS: Die Verwendung der FAA für die Durchflusszytometrie wird vorgestellt, aber die gleichen Schritte können für die Verwendung in anderen Formaten wie Immunhistochemie oder Fluoreszenzmikroskopie modifiziert werden. Bei der Anwendung von FAAs für ein neues Format muss ein neuer Optimierungsassay durchgeführt werden. Gemischte oder isolierte Zellpopulationen können durch Blut- oder lymphatische Organaufbereitungsverfahren gewonnen werden23,29. Die Ernte durch enzymatische Verdauung von Gewebe wird nicht empfohlen, da Zelloberflächenmarker abgestoßen werden können.
5. FAA-Titrationsanalyse und Dosisoptimierung bei der Markierung (1–2 h)
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Die gereinigte Ausbeute an Insulinalkin (Abbildung 2, oberes Bild), bestimmt durch das Gewicht, schwankte typischerweise zwischen 50 und 65 %. Ausbeuten von weniger als 40 % wurden wahrscheinlich durch Wasserverunreinigungen im wasserfreien DMSO und/oder Hydrolyse des Propargyl-NHS-Esters verursacht. Bei der Antigen-Multimerisierung (Abbildung 1B) schwankte die gereinigte Ausbeute des Insulin-Antigen-Arrays (
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Wir haben ein Protokoll (Abbildung 1) entwickelt, um maßgeschneiderte FAAs zur Identifizierung antigenspezifischer B-Zellen zu konstruieren und so die Generierung von B-Zell-Sonden für schwierige Antigenziele zu vereinfachen. Wir wählten 4-armige PEG-Polymere mit terminalen Azidgruppen als einfaches Substrat für den Aufbau von FAAs, da PEG Wasserlöslichkeit verleiht, während die funktionellen Azidgriffe einfache Klick-Konjugationsreaktionen ermögliche...
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CJB ist Mitbegründer von Orion Bioscience, Inc., einem Unternehmen, das die SAgA-Technologie für die Erforschung ihrer therapeutischen Anwendungen lizenziert. Dieser Bericht basiert auf Arbeiten, die vom National Science Foundation Graduate Research Program im Rahmen des Stipendiums Nr. 1946099 unterstützt wurden. Alle Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen, die in diesem Material geäußert werden, sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider.
Wir danken Colette Worcester für die Hilfe bei der Datenerfassung. Diese Arbeit wurde von der PhRMA Foundation (JDG), dem National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (KDA) und von NIH-Stipendien R21AI143407, R21AI144408 und DP5OD023118 unterstützt.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,1,3,3-tetramethylguanidine | Alfa Aesar | AAA12314AC | |
12 M hydrochloric acid | Fisher Chemical | A508-4 | |
12% Mini-PROTEAN TGX Precast Protein Gels, 10-well, 30 ul | Bio-Rad | 4561043 | |
20 kDa 4-arm PEG azide | Jenkem USA | A7185-1 | |
3.5 kDa MWCO dialysis tubing (regenerated cellulose) | Fisher Scientific | 25-152-10 | |
Acetonitrile, HPLC grade | Fisher Chemical | A998-4 | |
Alexa Fluor 647 anti-mouse CD19 Antibody | BioLegend | 115522 | |
anhydrous dimethylsulfoxide | ACROS Organics | AC610420010 | |
barium chloride | ACROS Organics | 203135000 | |
Brilliant Blue G-250 Dye | Fisher BioReagents | BP100-50 | |
Cell Prime r-insulin | EMD Millipore | 4512-01 | Recombinant human insulin for insulin FAA synthesis |
Copper (II) sulfate pentahydrate | ACROS Organics | AC197722500 | |
dimethylsulfoxide | Fisher Chemical | S67496 | |
fluorescein isothiocyanate (FITC) isomer 1 | Sigma-Aldrich | F7250-1G | |
Glacial acetic acid | Fisher Chemical | A38-212 | |
Glycerol | ACROS Organics | 15892-0010 | |
Glycine | Fisher Chemical | G46-500 | |
homopropargyl-PLP | Biomatik | NA | Custom synthesis (sequence: homopropargyl-HSLGKWLGHPDKF; purity: 97.29%) |
iodine | Sigma-Aldrich | 207772-100G | |
Methanol, HPLC grade | Fisher Chemical | A452-4 | |
NHS-Rhodamine (5/6-carboxy-tetramethyl-rhodamine succimidyl ester), mixed isomer | Thermo Scientific | 46406 | A commercially available analog of the Rhodamine-B NHS ester used in the paper |
PE/Cyanine7 anti-mouse CD3 Antibody | BioLegend | 100220 | |
potassium iodide | Sigma-Aldrich | 30315 | |
propargyl N-hydroxysuccinimide ester | Sigma-Aldrich | 764221 | |
sodium ascorbate | Sigma-Aldrich | A7631 | |
sodium biocarbonate | Sigma-Aldrich | S5761-1KG | |
sodium dodecyl sulfate | Fisher BioReagents | BP166-100 | |
Sodium phosphate monobasic monohydrate | Fisher Chemical | S468-500 | |
trifluoroacetic acid | Sigma-Aldrich | 302031-10x1mL | |
Tris base | Fisher BioReagents | BP152-500 | |
Tris(3-hydroxypropyltriazolylmethyl)amine | ClickChemTools | 1010-1000 | |
xBridge BEH C18 3.5 um, 4.6 x 150 mm column | Waters | 186003034 | |
xBridge BEH C18 5um OBD Prep Column, 19 x 250 mm | Waters | 186004021 |
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