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Method Article
* Estos autores han contribuido por igual
Este trabajo presenta un protocolo optimizado para inmovilizar y cuantificar de forma reproducible colágeno tipo I y III en microplacas, seguido de un protocolo mejorado de ensayo de unión in vitro para estudiar las interacciones colágeno-compuesto utilizando un método de fluorescencia resuelto en el tiempo. Se proporciona el posterior análisis de datos paso a paso y la interpretación de los datos.
La fibrosis se produce en varios tejidos como respuesta reparadora a una lesión o daño. Sin embargo, si es excesiva, la fibrosis puede provocar cicatrices en los tejidos e insuficiencia orgánica, lo que se asocia con una alta morbilidad y mortalidad. El colágeno es un impulsor clave de la fibrosis, siendo el colágeno tipo I y tipo III los principales tipos involucrados en muchas enfermedades fibróticas. A diferencia de los protocolos convencionales utilizados para inmovilizar otras proteínas (por ejemplo, elastina, albúmina, fibronectina, etc.), no se dispone de protocolos completos para inmovilizar de forma reproducible diferentes tipos de colágeno con el fin de producir recubrimientos estables. La inmovilización del colágeno es sorprendentemente desafiante porque múltiples condiciones experimentales pueden afectar la eficiencia de la inmovilización, incluido el tipo de colágeno, el pH, la temperatura y el tipo de microplaca utilizada. Aquí, se proporciona un protocolo detallado para inmovilizar y cuantificar de manera reproducible los colágenos de tipo I y III, lo que da como resultado geles/películas estables y reproducibles. Además, este trabajo demuestra cómo realizar, analizar e interpretar estudios de unión a fluorescencia resueltos en el tiempo in vitro para investigar las interacciones entre los colágenos y los compuestos candidatos a unirse al colágeno (por ejemplo, un péptido conjugado con un quelato metálico que transporta, por ejemplo, europio [Eu(III)]). Este enfoque se puede aplicar universalmente a diversas aplicaciones biomédicas, incluido el campo de la imagen molecular para desarrollar sondas de imagen dirigidas, el desarrollo de fármacos, los estudios de toxicidad celular, los estudios de proliferación celular y los inmunoensayos.
La acumulación de tejido conectivo fibroso como parte del proceso natural de cicatrización de heridas después de una lesión tisular se conoce como fibrosis. Sin embargo, si la deposición de tejido fibroso no termina y continúa más allá de lo necesario para la reparación del tejido, entonces la fibrosis se vuelve excesiva 1,2. La fibrosis excesiva deteriora la fisiología y la función de los órganos y podría provocar daños en los órganos y, potencialmente, insuficiencia orgánica 3,4,5. Dos de los principales impulsores de la fibrosis son las proteínas de la matriz extracelular (MEC), el colágeno tipo I y el tipo III6. El colágeno es una proteína estructural que se encuentra en varios órganos y que constituye aproximadamente un tercio del contenido total de proteínasdel cuerpo humano. Existen 28 tipos diferentes de colágenos identificados por la secuenciación del genoma humano, y los más abundantes son los colágenos fibrilares7. El colágeno fibrilar primario es el colágeno tipo I, que proporciona al ECM resistencia a la tracción y a la deformación8. El colágeno tipo III es un componente estructural que proporciona elasticidad y se colocaliza con el colágeno tipo I. Se expresa durante la embriogénesis y se encuentra naturalmente en pequeñas cantidades en la piel, los músculosy los vasos sanguíneos de los adultos.
La síntesis de colágeno in vivo comienza con un proceso intracelular en el que el ARNm se transcribe en el núcleo y luego pasa al citoplasma, donde se traduce. Después de la traducción, la cadena formada sufre una modificación postraduccional en el retículo endoplásmico, donde se forma el procolágeno (el precursor del colágeno). A continuación, el procolágeno viaja al aparato de Golgi para su modificación final antes de ser excretado al espacio extracelular10. A través de la escisión proteolítica, el procolágeno se transforma en tropocolágeno. A continuación, se reticula a través de una vía de reticulación mediada por enzimas catalizada por la enzima lisil oxidasa (LOX) o a través de una vía de reticulación no enzimática que implica la reacción de Maillard11. Los protocolos in vitro para inmovilizar el colágeno se basan principalmente en la capacidad del colágeno para autoensamblarse. El colágeno se extrae de los tejidos en función de su solubilidad, que depende en gran medida del grado de reticulación de las fibrillas de colágeno individuales7. El colágeno fibrilar se disuelve en ácido acético y las fibrillas pueden reformarse cuando se ajustan el pH y la temperatura12. In vitro, la fibrilogénesis del colágeno puede ser vista como un proceso de dos etapas7. La primera etapa es la fase de nucleación, donde las fibras de colágeno forman dímeros y fibrillas de trímero antes de que se reorganicen para formar una estructura helicoidal triple. La segunda fase es la fase de crecimiento, donde las fibrillas comienzan a crecer lateralmente y dan lugar a la formación característica de la banda D, que generalmente se observa por cambios en la turbidez7. Los estudios de microscopía de fuerza atómica (MFA) también han revelado que el colágeno tipo I y tipo III tiene características diferentes (Tabla 1)13.
Para estudiar las interacciones de unión entre el colágeno y otros compuestos, el colágeno debe inmovilizarse de forma reproducible en los pocillos de las microplacas. Existen varios protocolos para inmovilizar el colágeno soluble 14,15,16. Las microplacas disponibles en el mercado que están prerrecubiertas con colágeno se utilizan normalmente para el cultivo celular. Sin embargo, las microplacas prerrevestidas tienen una capa muy delgada de una cantidad desconocida de colágeno recubierta en los pocillos, lo que las hace inadecuadas para ensayos de unión in vitro. Existen varios retos a la hora de inmovilizar el colágeno en los pocillos de las placas. Uno de los principales desafíos es elegir un tipo adecuado de microplaca, ya que los diferentes tipos de colágeno (por ejemplo, tipo I y III) tienen diferentes propiedades químicas y, por lo tanto, se inmovilizan de manera más estable y efectiva según el material de la microplaca. Otro desafío son las condiciones experimentales del protocolo de inmovilización, ya que el proceso de fibrilogénesis depende de múltiples factores, entre ellos la temperatura, el pH, la concentración de colágeno y la concentración iónica del tampón7.
Para estudiar las interacciones entre el colágeno (el objetivo) y otros compuestos (es decir, un péptido dirigido), también es necesario desarrollar un ensayo de cribado sólido para investigar la especificidad y selectividad del compuesto hacia el objetivo midiendo la constante de disociación, Kd. La posición del equilibrio de formación de un complejo bimolecular entre una proteína (colágeno) y un ligando se expresa en términos de la constante de asociación Ka, cuya magnitud es proporcional a la afinidad de unión. Sin embargo, lo más común es que los bioquímicos expresen relaciones de afinidad en términos de la constante de disociación de equilibrio, Kd, del complejo bimolecular, que se define como Kd = 1/Ka (Kd y es el inverso de Ka). Cuanto menor sea el valorde K d, más fuerte será la fuerza de unión entre la proteína y el ligando. La ventaja de usar Kd para comparar la afinidad de unión de diferentes ligandos para la misma proteína (y al revés) está relacionada con el hecho de que las unidades de Kd para un complejo bimolecular son mol/L (es decir, unidad de concentración). En la mayoría de las condiciones experimentales, el valor de Kd corresponde a la concentración de ligando que conduce a una saturación del 50% de los sitios de unión disponibles en el objetivo en el equilibrio17,18. La constante de disociación se extrae típicamente analizando la ocupación fraccional del receptor (FO), que se define como la relación entre los sitios de unión ocupados y el total de sitios de unión disponibles, en función de la concentración de ligando. Esto se puede hacer siempre que se disponga de un ensayo analítico capaz de distinguir y medir la cantidad de ligando unido.
Los ensayos de unión a ligandos in vitro se pueden realizar utilizando varios métodos bioanalíticos, como la fotometría óptica, los métodos de radioligandos, la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) y la resonancia de plasmones de superficie (SPR). Entre los métodos fotométricos, los basados en la emisión de fluorescencia suelen requerir el marcaje de ligandos o proteínas con fluoróforos para aumentar la sensibilidad y mejorar el límite de detección del ensayo. Los quelatos de ciertos iones lantánidos (III), como el Eu (III), son muy atractivos como fluoróforos, ya que tienen grandes desplazamientos de Stokes, bandas de emisión estrechas (que proporcionan una buena relación señal-ruido), fotoblanqueo limitado y larga vida útil de emisión. Es importante destacar que esta última propiedad permite el uso de fluorescencia resuelta en el tiempo (TRF) de fluoróforos Eu(III) para abolir la autofluorescencia de fondo19. En la versión del inmunoensayo fluorescente de lantánidos mejorado por disociación (DELFIA) del ensayo TRF basado en Eu(III), los ligandos marcados con un quelato Eu(III) no luminiscente se incuban con el receptor inmovilizado en microplacas. El complejo ligando/receptor marcado se separa del ligando no unido, y la fluorescencia de Eu(III) se activa por disociación del complejo Eu(III) a un pH ácido, seguido de una recomplejación con un quelante que mejora la fluorescencia para formar un complejo de Eu(III) altamente fluorescente incrustado en micelas20.
El paso de descomplexión se puede lograr razonablemente con quelantes, como el pentaacetato de dietilentriamina (DTPA), que muestran una cinética de descomplejación rápida. Sin embargo, los complejos Eu(III) con ciertos quelantes macrocíclicos, como el DOTA (ácido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano1,4,7,10-tetraacético) y sus derivados monoamida (DO3AAm), muestran una alta estabilidad termodinámica y una inercia cinética muy alta. En este caso, los pasos de descomplejación deben optimizarse con precisión para lograr una activación suficiente y reproducible de TRF21 basada en Eu(III). Cabe destacar que los complejos lantánidos (Ln(III))-DOTA y Ln(III)-DO3AAm son los más comúnmente empleados como agentes de contraste para la obtención de imágenes moleculares in vivo mediante técnicas de resonancia magnética (RM)22. Por lo tanto, el ensayo TRF basado en Ln(III) es la herramienta de elección para estudiar in vitro la afinidad de unión de las sondas moleculares de resonancia magnética con sus objetivos biológicos previstos. En la actualidad, se carece de protocolos completos y reproducibles para inmovilizar el colágeno de tipo I y tipo III, así como de una línea reproducible para realizar experimentos de TRF de unión in vitro con EU(III). Para superar estas limitaciones, se desarrollaron métodos reproducibles para autoensamblar e inmovilizar colágeno tipo I y tipo III y generar geles y películas estables, respectivamente, con la concentración suficiente de colágeno requerida para los ensayos de unión in vitro . Se presenta un protocolo optimizado para Eu(III) TRF de complejos altamente inertes basados en Eu(III)-DO3Aam. Por último, se demuestra un ensayo TRF optimizado en microplacas in vitro de Eu(III) para medir el Kd de los ligandos marcados con Eu(III) hacia el colágeno inmovilizado de tipo I y tipo III (Figura 1).
NOTA: Toda la información del producto utilizada para este trabajo se presenta en la Tabla de Materiales.
1. Inmovilización de colágeno
NOTA: Asegúrese de que cada pocillo de la microplaca utilizada durante el ensayo de unión tenga pocillos adyacentes libres para evitar la fluorescencia cruzada. Realiza esta parte del protocolo con hielo porque el colágeno se autoensambla al aumentar las temperaturas y los niveles de pH. Realice este procedimiento en una campana de cultivo de tejidos y en condiciones estériles porque las microplacas se incuban posteriormente en una incubadora de cultivo de tejidos (TC).
2. Evaluación de la estabilidad de los geles/películas de colágeno inmovilizados
3. Ensayo de unión al ligando TRF de europio (III) (Figura 1)
NOTA: El compuesto utilizado es un candidato a péptido de unión al colágeno (CBP) marcado con un único complejo Eu(III)-DO3AAm, denominado Eu(III)-DO3AAm-CBP (Figura 4).
4. Análisis de datos
Evaluación de la estabilidad y concentración de colágeno tipo I y tipo III inmovilizado en geles/películas
La cuantificación de la concentración de colágeno inmovilizado por pocillo se realizó utilizando tres condiciones diferentes: a) en pocillos sin lavado con PBS después de inmovilizar las proteínas (sin lavado); b) en pocillos con una etapa de lavado (dos veces con PBS) después de la inmovilización para eliminar cualquier proteína no recubierta; c) en...
Este trabajo presenta un método reproducible para inmovilizar colágeno tipo I y tipo III. También se muestra un protocolo para adquirir, analizar e interpretar in vitro los datos de unión a TRF de Eu(III) para caracterizar las propiedades de unión de un ligando candidato hacia el colágeno de tipo I y III. Los protocolos de inmovilización de colágeno tipo I y tipo III que aquí se presentan se desarrollaron y optimizaron teniendo en cuenta trabajos publicados previamente ...
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Agradecemos a los siguientes financiadores por apoyar este trabajo: (1) el Consejo de Investigación Médica del Reino Unido (MR/N013700/1) y el King's College de Londres, miembro de la Asociación de Formación Doctoral en Ciencias Biomédicas del MRC; (2) Subvención del programa BHF RG/20/1/34802; (3) Subvención para proyectos BHF PG/2019/34897; (4) Subvención del Centro King's BHF para la Excelencia en Investigación RE/18/2/34213; (5) el Programa de la Iniciativa Científica del Milenio ANID - ICN2021_004; y (6) FB210024 de subvención basal ANID.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10x PBS | Gibco | 14200075 | Use this to make 1x PBS by diluting in water (1:10) |
10x PBS | Gibco | 14200075 | Use this to make 1x PBS by diluting in water (1:10) |
2M HCL | Made in house and details are in the supporting document | ||
2M HCL | Made in house and details are in the supporting document | ||
2M Sodium hydroxide +2M Glycine | Made in house and details are in the supporting document | ||
2M Sodium hydroxide +2M Glycine | Made in house and details are in the supporting document | ||
Cell-star 96 well microplate | Greiner Bio-One | 655 160 | |
Cell-star 96 well microplate | Greiner Bio-One | 655 160 | |
DELFIA enhacement solution | Perkin Elmer | 1244-104 | |
DELFIA enhacement solution | Perkin Elmer | 1244-104 | |
Ice | |||
Ice | |||
Infinite 200 PRO NanoQuant microplate reader | TECAN | ||
Infinite 200 PRO NanoQuant microplate reader | TECAN | ||
Non-binding (NBS) 96 well microplates | Corning | 3641 | |
Non-binding (NBS) 96 well microplates | Corning | 3641 | |
pH electrode Inlab Routine | Mettler Toledo | 51343050 | |
pH electrode Inlab Routine | Mettler Toledo | 51343050 | |
pH meter (sevenCompact) | Mettler Toledo | ||
pH meter (sevenCompact) | Mettler Toledo | ||
Pierce BCA protein assay kit | Thermofisher | 23227 | |
Pierce BCA protein assay kit | Thermofisher | 23227 | |
Tissue culture incubator (37 °C, 5% CO2) | |||
Type I bovine collagen, 3 mg/mL | Corning | 354231 | |
Type III human placenta collagen, 0.99 mg/mL | Advanced Biomatrix | 5021 |
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