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Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
Ce travail présente un protocole optimisé pour immobiliser et quantifier de manière reproductible le collagène de type I et III sur des microplaques, suivi d’un protocole de test de liaison in vitro amélioré pour étudier les interactions collagène-composé à l’aide d’une méthode de fluorescence résolue en temps. L’analyse et l’interprétation des données sont fournies étape par étape.
La fibrose se produit dans divers tissus en réponse réparatrice à une blessure ou à un dommage. Cependant, si elle est excessive, la fibrose peut entraîner une cicatrisation des tissus et une défaillance des organes, ce qui est associé à une morbidité et une mortalité élevées. Le collagène est un facteur clé de la fibrose, le collagène de type I et de type III étant les principaux types impliqués dans de nombreuses maladies fibrotiques. Contrairement aux protocoles conventionnels utilisés pour immobiliser d’autres protéines (par exemple, l’élastine, l’albumine, la fibronectine, etc.), il n’est pas facilement disponible des protocoles complets permettant d’immobiliser de manière reproductible différents types de collagènes afin de produire des revêtements stables. L’immobilisation du collagène est étonnamment difficile car de multiples conditions expérimentales peuvent affecter l’efficacité de l’immobilisation, notamment le type de collagène, le pH, la température et le type de microplaque utilisé. Ici, un protocole détaillé pour immobiliser et quantifier de manière reproductible les collagènes de type I et III, ce qui permet d’obtenir des gels/films stables et reproductibles, est fourni. De plus, ce travail démontre comment réaliser, analyser et interpréter in vitro des études de liaison à la fluorescence résolues dans le temps pour étudier les interactions entre les collagènes et les composés candidats de liaison au collagène (par exemple, un peptide conjugué à un chélate métallique portant, par exemple, de l’europium [Eu(III)]). Une telle approche peut être universellement appliquée à diverses applications biomédicales, y compris le domaine de l’imagerie moléculaire pour développer des sondes d’imagerie ciblées, le développement de médicaments, les études de toxicité cellulaire, les études de prolifération cellulaire et les immunoessais.
L’accumulation de tissu conjonctif fibreux dans le cadre du processus naturel de cicatrisation des plaies après une lésion tissulaire est connue sous le nom de fibrose. Cependant, si le dépôt de tissu fibreux ne se termine pas et se poursuit au-delà de ce qui est nécessaire pour la réparation tissulaire, la fibrose devient excessive 1,2. Une fibrose excessive altère la physiologie et la fonction des organes et pourrait entraîner des lésions organiques et potentiellement une défaillance des organes3,4,5. Les deux principaux facteurs de fibrose sont les protéines de la matrice extracellulaire (MEC), le collagène de type I et de type III,6. Le collagène est une protéine structurelle présente dans divers organes qui représente environ un tiers de la teneur totale en protéines du corps humain1. Il existe 28 types différents de collagènes identifiés par le séquençage du génome humain, et les plus abondants sont les collagènes fibrillaires7. Le collagène fibrillaire primaire est le collagène de type I, qui confère à l’ECM une résistance à la traction et une résistance à la déformation8. Le collagène de type III est un composant structurel qui apporte de l’élasticité et se colocalise avec le collagène de type I. Il s’exprime au cours de l’embryogenèse et se trouve naturellement en petites quantités dans la peau, les muscles et les vaisseaux sanguins des adultes9.
La synthèse in vivo du collagène commence par un processus intracellulaire dans lequel l’ARNm est transcrit dans le noyau, puis se déplace vers le cytoplasme, où il est traduit. Après la traduction, la chaîne formée subit une modification post-traductionnelle dans le réticulum endoplasmique, où se forme le pro-collagène (le précurseur du collagène). Le pro-collagène se rend ensuite dans l’appareil de Golgi pour une modification finale avant d’être excrété dans l’espace extracellulaire10. Par clivage protéolytique, le pro-collagène se transforme en tropocollagène. Celle-ci est ensuite réticulée soit par une voie de réticulation médiée par l’enzyme catalysée par l’enzyme lysyl oxydase (LOX), soit par une voie de réticulation non enzymatique impliquant la réaction de Maillard11. Les protocoles in vitro d’immobilisation du collagène reposent principalement sur la capacité du collagène à s’auto-assembler. Le collagène est extrait des tissus en fonction de sa solubilité, qui dépend en grande partie de l’étendue de la réticulation des fibrilles de collagène individuelles7. Le collagène fibrillaire est dissous dans l’acide acétique, et les fibrilles peuvent se reformer lorsque le pH et la température sont ajustésà 12. In vitro, la fibrillogenèse du collagène peut être considérée comme un processus en deux étapes7. La première étape est la phase de nucléation, où les fibres de collagène forment des fibrilles dimères et trimères avant d’être réarrangées pour former une structure hélicoïdale triple. La deuxième phase est la phase de croissance, où les fibrilles commencent à se développer latéralement et entraînent la formation caractéristique de la bande D, qui est généralement observée par des changements de turbidité7. Des études de microscopie à force atomique (AFM) ont également révélé que le collagène de type I et de type III ont des caractéristiques différentes (Tableau 1)13.
Pour étudier les interactions de liaison entre le collagène et d’autres composés, le collagène doit être immobilisé de manière reproductible dans les puits de microplaques. Il existe différents protocoles pour immobiliser le collagène soluble 14,15,16. Les microplaques disponibles dans le commerce qui sont pré-recouvertes de collagène sont généralement utilisées pour la culture cellulaire. Cependant, les microplaques pré-enrobées ont une très fine couche d’une quantité inconnue de collagène enrobée sur les puits, ce qui les rend inadaptées aux tests de liaison in vitro. Il y a plusieurs défis lors de l’immobilisation du collagène sur les puits de la plaque. L’un des principaux défis est de choisir un type de microplaque approprié, car les différents types de collagènes (par exemple, les types I et III) ont des propriétés chimiques différentes et, par conséquent, s’immobilisent de manière plus stable et plus efficace en fonction du matériau de la microplaque. Un autre défi est les conditions expérimentales du protocole d’immobilisation, car le processus de fibrillogenèse dépend de plusieurs facteurs, notamment la température, le pH, la concentration du stock de collagène et la concentration ionique du tampon7.
Pour étudier les interactions entre le collagène (la cible) et d’autres composés (c’est-à-dire un peptide cible), il est également nécessaire de développer un test de criblage robuste pour étudier la spécificité et la sélectivité du composé vis-à-vis de la cible en mesurant la constante de dissociation, Kd. La position de l’équilibre de formation d’un complexe bimoléculaire entre une protéine (collagène) et un ligand est exprimée en fonction de la constante d’association Ka, dont l’amplitude est proportionnelle à l’affinité de liaison. Cependant, le plus souvent, les biochimistes expriment les relations d’affinité en termes de constante de dissociation à l’équilibre, Kd, du complexe bimoléculaire, qui est défini comme Kd = 1/Ka (Kd et est l’inverse de Ka). Plus la valeur Kd est faible, plus la force de liaison entre la protéine et le ligand est forte. L’avantage d’utiliser Kd pour comparer l’affinité de liaison de différents ligands pour la même protéine (et inversement) est lié au fait que les unités de Kd pour un complexe bimoléculaire sont mol/L (c’est-à-dire l’unité de concentration). Dans la plupart des conditions expérimentales, la valeurK d correspond à la concentration du ligand qui conduit à une saturation de 50 % des sites de liaison disponibles sur la cible à l’équilibre17,18. La constante de dissociation est généralement extraite en analysant l’occupation fractionnée du récepteur (FO), qui est définie comme le rapport entre les sites de liaison occupés et le total des sites de liaison disponibles, en fonction de la concentration du ligand. Cela peut être fait à condition qu’un test analytique capable de distinguer et de mesurer la quantité de ligand lié soit disponible.
Les tests de liaison de ligands in vitro peuvent être réalisés à l’aide de diverses méthodes bioanalytiques, notamment la photométrie optique, les méthodes de radioligands, la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et la résonance plasmonique de surface (SPR). Parmi les méthodes photométriques, celles basées sur l’émission de fluorescence nécessitent généralement le marquage de ligands ou de protéines avec des fluorophores pour augmenter la sensibilité et améliorer la limite de détection du dosage. Les chélatés de certains ions lanthanide(III), tels que Eu(III), sont très attrayants en tant que fluorophores car ils ont de grands décalages de Stokes, des bandes d’émission étroites (offrant un bon rapport signal/bruit), un photoblanchiment limité et de longues durées de vie d’émission. Il est important de noter que cette dernière propriété permet d’utiliser la fluorescence résolue en temps (TRF) à partir de fluorophores Eu(III) pour abolir l’autofluorescencede fond 19. Dans la version DELFIA (Dissociation-enhanced lanthanide fluorescent immunoassay) du test TRF basé sur Eu(III), des ligands marqués avec un chélate Eu(III) non luminescent sont incubés avec le récepteur immobilisé sur des microplaques. Le complexe ligand/récepteur marqué est séparé du ligand non lié, et la fluorescence Eu(III) est activée par dissociation du complexe Eu(III) à un pH acide, suivie d’une recomplexation avec un chélateur améliorant la fluorescence pour former un complexe Eu(III)20 hautement fluorescent intégré dans la micelle.
L’étape de décomplexation peut être raisonnablement réalisée avec des chélateurs, tels que le pentaacétate de diéthylènetriamine (DTPA), qui présentent une cinétique de décomplexation rapide. Cependant, les complexes Eu(III) avec certains chélateurs macrocycliques, tels que DOTA (acide 1,4,7,10-tétraazacyclododécane1,4,7,10-tétraacétique) et ses dérivés monoamides (DO3AAm), présentent une grande stabilité thermodynamique et une inertie cinétique très élevée. Dans ce cas, les étapes de décomplexation doivent être optimisées avec précision pour obtenir une activation suffisante et reproductible du TRF21 à base d’Eu(III). Il convient de noter que les complexes de lanthanides (Ln(III))-DOTA et Ln(III)-DO3AAm sont ceux qui sont les plus couramment utilisés comme agents de contraste pour l’imagerie moléculaire in vivo par les techniques d’imagerie par résonance magnétique (IRM)22. Ainsi, le test TRF basé sur Ln(III) est l’outil de choix pour étudier in vitro l’affinité de liaison des sondes moléculaires IRM avec leurs cibles biologiques prévues. À l’heure actuelle, il n’existe pas de protocoles complets et reproductibles pour l’immobilisation du collagène de type I et de type III, ni d’un pipeline reproductible pour réaliser des expériences de liaison in vitro Eu(III) TRF. Pour surmonter ces limitations, des méthodes reproductibles ont été développées pour auto-assembler et immobiliser le collagène de type I et de type III et générer des gels et des films stables, respectivement, avec la concentration suffisante de collagène requise pour les essais de liaison in vitro . Un protocole optimisé pour Eu(III) TRF de complexes hautement inertes à base d’Eu(III)-DO3Aam est présenté. Enfin, un test TRF in vitro optimisé sur microplaque Eu(III) pour mesurer le Kd des ligands marqués à Eu(III) vers le collagène de type I et de type III immobilisé est démontré (Figure 1).
REMARQUE : Toutes les informations sur le produit utilisées pour ce travail sont présentées dans la table des matériaux.
1. Immobilisation du collagène
REMARQUE : Assurez-vous que chaque puits de la microplaque utilisé pendant l’essai de liaison a des puits adjacents libres pour éviter la fluorescence croisée. Effectuez cette partie du protocole sur de la glace car le collagène s’auto-assemble à des températures et des niveaux de pH élevés. Effectuez cette procédure dans une hotte de culture tissulaire et dans des conditions stériles, car les microplaques sont ensuite incubées dans un incubateur de culture tissulaire (CT).
2. Évaluation de la stabilité des gels/films de collagène immobilisés
3. Essai de liaison du ligand TRF d’Europium(III) (Figure 1)
REMARQUE : Le composé utilisé est un peptide candidat de liaison au collagène (CBP) marqué avec un seul complexe Eu(III)-DO3AAm, appelé Eu(III)-DO3AAm-CBP (Figure 4).
4. Analyse des données
Évaluation de la stabilité et de la concentration du collagène de type I et de type III immobilisé dans des gels/films
La quantification de la concentration de collagène immobilisé par puits a été effectuée à l’aide de trois conditions différentes : a) dans des puits sans lavage avec PBS après immobilisation des protéines (pas de lavage) ; b) dans les puits avec une étape de lavage (deux fois avec PBS) après immobilisation pour éliminer toute protéi...
Ce travail présente une méthode reproductible d’immobilisation du collagène de type I et de type III. Il fait également la démonstration d’un protocole d’acquisition, d’analyse et d’interprétation in vitro des données de liaison TRF Eu(III) afin de caractériser les propriétés de liaison d’un ligand candidat envers le collagène de type I et III. Les protocoles d’immobilisation du collagène de type I et de type III présentés ici ont été développés e...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Nous sommes reconnaissants aux bailleurs de fonds suivants de soutenir ce travail : (1) le Conseil de la recherche médicale du Royaume-Uni (MR/N013700/1) et le King’s College de Londres, membres du Partenariat de formation doctorale en sciences biomédicales du MRC ; (2) subvention du programme BHF RG/20/1/34802 ; (3) subvention de projet BHF PG/2019/34897 ; (4) Subvention du Centre d’excellence en recherche de la BHF de King’s RE/18/2/34213 ; (5) le programme ANID Millennium Science Initiative - ICN2021_004 ; et (6) la subvention de base de l’ANID FB210024.
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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