טכניקת תפוקה גבוהה מבוססת ציטומטריה של זרימה לבדיקת תרופות מעכבות אינטגרין

Summary

פרוטוקול זה מתאר שיטת סינון מבוססת ציטומטריה של זרימה בתפוקה גבוהה לזיהוי תרופות במולקולות קטנות המעכבות הפעלת אינטגרין β2 על נויטרופילים אנושיים.

Abstract

פרוטוקול זה נועד לבסס שיטה לזיהוי אנטגוניסטים מולקולריים קטנים של הפעלת אינטגרין β2, תוך שימוש בנוגדנים המדווחים על שינויים קונפורמטיביים וציטומטריית זרימה בתפוקה גבוהה. השיטה יכולה לשמש גם כמדריך לשיטות סינון אחרות מבוססות נוגדנים בתפוקה גבוהה. אינטגרינים β2 הם מולקולות הידבקות ספציפיות לויקוציטים החיוניות לתגובות חיסוניות. נויטרופילים מסתמכים על הפעלת אינטגרין כדי לצאת מזרם הדם, לא רק כדי להילחם בזיהומים אלא גם כדי להיות מעורבים במחלות דלקתיות מרובות. שליטה בהפעלת אינטגרין β2 מציגה גישה בת קיימא לטיפול במחלות דלקתיות הקשורות לנויטרופילים. בפרוטוקול זה, נוגדן חד-שבטי, mAb24, אשר נקשר באופן ספציפי לכיסוי הראש בעל הזיקה הגבוהה של אינטגרינים β2, משמש לכימות הפעלת אינטגרין β2 על נויטרופילים אנושיים ראשוניים מבודדים. N-formylmethionyl-leucyl-phenylalanine (fMLP) משמש כגירוי להפעלת אינטגרינים β2 נויטרופילים. במחקר זה נעשה שימוש בציטומטר זרימה בתפוקה גבוהה המסוגל להריץ באופן אוטומטי דגימות לוחות של 384 בארות. ההשפעות של 320 כימיקלים על עיכוב אינטגרין β2 מוערכות תוך 3 שעות. באמצעות גישה זו ניתן לזהות מולקולות התוקפות ישירות לאינטגרינים β2 או מולקולות מטרה במסלול איתות ההפעלה מבפנים החוצה המופעל על ידי קולטן G המצומד לחלבון.

Introduction

מחלות דלקתיות רבות מאופיינות בחדירת נויטרופילים באתר של נפיחות או פציעה¹. כדי לחדור לרקמות אלה, נויטרופילים חייבים להשלים את מפל גיוס הנויטרופילים, הכולל מעצר לאנדותל, אקסטרווזיה על פני דופן כלי הדם, וגיוס לרקמה². נויטרופילים במחזור הדם זקוקים להפעלת אינטגרין β2 כדי להשלים מפל זה, במיוחד עבור שלב המעצר. לפיכך, תרופות מעכבות אינטגרין המפחיתות הידבקות נויטרופילים, אקסטרווציה וגיוס עשויות לטפל ביעילות במחלות דלקתיות ^3,4.

אינטגרינים β2 היו יעד למחלות דלקתיות בעבר. Efalizumab, נוגדן חד שבטי המכוון ישירות לאינטגרין αLβ2, פותח לטיפול בפסוריאזיס⁵. עם זאת, efalizumab נסוג בשל תופעת הלוואי הקטלנית שלה - leukoencephalopathy multifocal מתקדם כתוצאה הפעלה מחדש של וירוס JC ^6,7. טיפולים חדשים מבוססי אינטגרין אנטי דלקתיים צריכים לשקול שמירה על הפונקציות נוגדות הזיהום של לויקוציטים כדי למזער את תופעות הלוואי. תופעות הלוואי של efalizumab עשויות לנבוע ממחזור ממושך של נוגדנים חד שבטיים בזרם הדם, אשר עלול לעכב את תפקוד החיסון בטווח הארוך⁸. מחקר שנערך לאחרונה מראה כי efalizumab מתווך αLβ2 crosslinking ואת הפנמה לא רצויה של אינטגרינים α4, מתן הסבר חלופי לתופעות הלוואי⁹. לכן, אנטגוניסטים קצרי מועד, מולקולות קטנות, עשויים להימנע מבעיה זו.

שיטה בעלת תפוקה גבוהה לסינון אנטגוניסטים אינטגרין של מולקולות קטנות β2 באמצעות נויטרופילים אנושיים מוצגת כאן. הפעלת אינטגרין β2 דורשת שינויים קונפורמטיביים של אקטודומיין האינטגרין כדי לקבל גישה ולהגדיל את זיקתו לליגנד שלו. במודל Switchblade הקנוני, אקטודומיין האינטגרין הסגור המכופף מתרחב תחילה לקונפורמציה מורחבת-סגורה ולאחר מכן פותח את כיסוי ראשו לקונפורמציה מורחבת-פתוחה המופעלת במלואה^10,11,12,13. יש גם מסלול חלופי שמתחיל מהכפוף-סגור לכפוף-פתוח ומורחב-פתוח, בסופו של דבר 14,15,16,17,18,19. הנוגדן הספציפי לקונפורמציה mAb24 נקשר לאפיטופ בתחום דמוי β2-I האנושי כאשר כיסוי הראש של האקטודומיין פתוח^20,21,22,23.

כאן, mAb24-APC משמש כדי לקבוע אם אינטגרינים β2 מופעלים. כדי להפעיל נויטרופילים ואינטגרין, N-formylmethionyl-leucyl-phenylalanine (fMLP), פפטיד כימוטקטי קצר שמקורו בחיידקים שיכול להפעיל נויטרופילים β2 integrins²⁴, משמש כגירוי בפרוטוקול זה. כאשר fMLP נקשר ל-Fpr1 על נויטרופילים, מופעלים מפלים איתות במורד הזרם המערבים חלבוני G, פוספוליפאז Cβ ופוספואינוסיטיד 3-קינאז γ. אירועי איתות אלה גורמים בסופו של דבר להפעלת אינטגרין דרך מסלול האיתות מבפנים החוצה^18,25. מלבד אנטגוניסטים של מולקולות קטנות שנקשרים ישירות לאינטגרינים β2 ומונעים שינויים קונפורמטיביים של הפעלת אינטגרין²⁶, תרכובות שיכולות לעכב רכיבים במסלול איתות ההפעלה של אינטגרין β2 מבפנים החוצה יזוהו גם בשיטה זו. ציטומטרים אוטומטיים של זרימה מאפשרים סינון בתפוקה גבוהה. זיהוי אנטגוניסטים חדשים עשוי לא רק להעמיק את הבנתנו בפיזיולוגיה של אינטגרין, אלא גם לספק תובנה תרגומית לטיפול אנטי-דלקתי מבוסס אינטגרין.

Protocol

דגימות דם מלא הופרינו התקבלו מתורמים אנושיים בריאים שעברו ביטול זיהוי לאחר קבלת הסכמה מדעת, כפי שאושרה על ידי מועצת הביקורת המוסדית של UConn Health, בהתאם לעקרונות הצהרת הלסינקי. התקבלה הסכמה מדעת מכל התורמים. קריטריוני ההכללה/אי-הכללה במחקר זה פותחו בקפידה כדי להבטיח את התאמת המשתתפים ולמזער סיכונים פוטנציאליים. המשתתפים הזכאים היו בגילאי 18 עד 65, מכל מוצא אתני, דוברי אנגלית שוטפת ומסוגלים לספק הסכמה מדעת. המשתתפים שהוחרגו כללו את אלה שאינם מסוגלים לספק הסכמה מדעת לעצמם, כגון אלה הזקוקים לנציג מוסמך על פי חוק, אנשים מתחת לגיל 18 או מעל גיל 65, אנשים כלואים ונשים בהריון. בנוסף, המשתתפים היו צריכים להיות חופשיים משימוש בתרופות אנטי דלקתיות וממצבים דלקתיים. זיהומים נוכחיים או מצבים דלקתיים כרוניים או חריפים מתמשכים היו גם קריטריונים לאי-הכללה. לבסוף, אנשים עם היסטוריה נוכחית או אחרונה של הידבקות ב- COVID-19 לא היו זכאים למחקר. קריטריונים אלה נועדו להבטיח את בטיחות המשתתפים והתאמתם תוך מזעור גורמים מבלבלים פוטנציאליים שיכולים להשפיע על תוצאות המחקר.

1. הכנת ריאגנטים

1. תווך נויטרופילים: הכינו את מדיום הנויטרופילים על ידי הוספת אלבומין בסרום אנושי 2% ל-RPMI-1640 ללא אדום פנול (ראו טבלת חומרים).
2. תמיסת fMLP: הכינו את תמיסת fMLP על ידי דילול שלה פי 100 מתמיסת האחסון fMLP dimethyl sulfoxide (DMSO) של 10 mM (ראו טבלת חומרים) עם RPMI 1640 ללא פנול אדום, והתוצאה היא תמיסת fMLP של 100 מיקרומטר.
3. תמיסת נוגדנים: לדלל 120 μL של נוגדן חד-שבטי מצומד אלופיקוציאנין (APC) mAb24 (mAb24-APC) (ראה טבלת חומרים), המדווח על קונפורמציה בעלת זיקה גבוהה של אינטגרין β2, ב-10 מ"ל של תווך נויטרופילים, ויוצר תמיסת mAb24-APC של 1.2 מיקרוגרם/מ"ל.
4. ספרייה מורכבת: לדלל את ספריית התרכובות הראשונית בריכוז של 10 mM עד 1 mM על ידי הוספת 5 μL של ספריית 10 mM (ראה טבלת חומרים) ל 45 μL של DMSO בלוחות 384 בארות באמצעות המטפל בנוזל. לאחר מכן, העבר 5 μL לכל באר של ספריית המתחם 1 mM לצלחת ריקה של 384 בארות באמצעות המטפל בנוזל.
5. כפי שמודגם באיור 1, ארבע עמודות (1, 2, 23, 24) הכילו רק DMSO אך לא תרכובות, ושימשו כבקרות חיוביות ושליליות בסינון. לדלל עוד יותר כל באר על ידי הוספת 45 μL של RPMI-1640 ללא פנול אדום, וכתוצאה מכך ריכוז סופי של 100 מיקרומטר עבור כל התרכובות.

2. בידוד נויטרופילים מדם אנושי

1. באמצעות פיפטה סרולוגית, שכבה בזהירות של 4 מ"ל דם מעל 8 מ"ל של מדיום שיפוע צפיפות זמין מסחרית (ראו טבלת חומרים) בצינור צנטריפוגה של 15 מ"ל (איור 2A).
2. צנטריפוגה הדם ב 550 × גרם במשך 30-50 דקות ב 20 מעלות צלזיוס. להאט את הרוטור בהדרגה (גורם האטה של 1).
   הערה: ההפרדה המוצלחת של נויטרופילים (פס 2 באיור 2B) מתאי דם אדומים עשויה להשתנות בין תורמים. עבור רוב התורמים, צנטריפוגה של 30 דקות מספיקה. אולם עבור תורמים מסוימים, ייתכן שיידרשו 10-30 דקות נוספות של צנטריפוגה אם ההפרדה לא תצליח (איור 2C).
3. בזהירות להסיר את הפלזמה (הנוזל הצהוב על גבי) ואת התאים mononuclear (הרצועה העכורה העליונה; רצועת PBMC באיור 2B) באמצעות פיפטה של 1 מ"ל.
4. אספו נויטרופילים מהרצועה העכורה התחתונה (רצועת נויטרופילים באיור 2B) ובערך 3-4 מ"ל מתחת לנוזל השקוף לתוך צינור צנטריפוגה של 15 מ"ל המכיל 10 מ"ל של מלח חוצץ פוספט (PBS). מערבבים בעדינות את תרחיף הנויטרופילים על ידי הפיכתו 2-3 פעמים.
5. צנטריפוגה את המתלה ב 400 × גרם במשך 10 דקות ב 20 ° C, ולאחר מכן בזהירות להסיר את supernatant על ידי decanting.
6. השהה מחדש בעדינות את הגלולה עם 5 מ"ל של PBS וצנטריפוגה אותו ב 300 × גרם במשך 5 דקות ב 20 ° C.
7. הסר את supernatant על ידי decanting, ובזהירות לחסל כל שאריות supernatant סביב הפה צינור על דופן הצינור באמצעות שאיבת ואקום. להשעות את הגלולה ב 1 מ"ל של מדיום נויטרופילים.
8. ספור את מספרי התאים באמצעות המוציטומטר. בדרך כלל, 1 עד 4 × 10⁷ נויטרופילים התקבלו מ 8 מ"ל של דם אנושי.
   הערה: ייתכן שיש זיהום תאי דם אדומים בתרחיף נויטרופילים. תאי דם אדומים אינם משפיעים באופן משמעותי על רוב הבדיקות ויכולים למנוע הפעלת נויטרופילים / פריימינג²⁷. תאי דם אדומים צריכים להיות lysed לפני ספירה כדי לקבל ריכוז נויטרופילים מדויק. הוסף 10 μL של תרחיף התא ל 891 μL של מים deionized עבור 10-30 s כדי lyse את תאי הדם האדומים, ולאחר מכן להוסיף 99 μL של 10× PBS כדי לאזן את הלחץ האוסמוטי, מניעת ליזה של נויטרופילים.
9. התאם את צפיפות התא ל- 6.25 × 10⁵ תאים/מ"ל על ידי הוספת תווך נויטרופילים.

3. הכנת צלחת 384-באר

1. בצינור צנטריפוגה של 1.5 מ"ל, שלב 1 מ"ל של תמיסת הנוגדנים (1.2 מיקרוגרם/מ"ל mAb24-APC) עם 0.2 מ"ל של תווך נויטרופילים כדי ליצור תמיסת 1 מיקרוגרם/מ"ל mAb24-APC. לאחר מכן, הוסיפו 25 מיקרוליטר של התערובת הזו לבארות הבקרה השליליות בצלחת של 384 בארות (הבארות הכחולות באיור 1).
2. בצינור צנטריפוגה של 15 מ"ל, ערבבו 9 מ"ל של תמיסת הנוגדנים עם 21.6 מיקרוליטר של תמיסת fMLP (100 מיקרומטר) ו-1.7784 מ"ל של תווך נויטרופיל כדי ליצור תמיסה המכילה 1 מיקרוגרם/מ"ל mAb24-APC ו-200 ננומטר fMLP. לאחר מכן, הוסיפו 25 μL של תערובת זו לבארות הבקרה והבדיקה החיוביות בלוח של 384 בארות (הבארות האדומות והכחולות באיור 1).
3. מעבירים 5 μL מתמיסות התרכובת של 100 מיקרומטר מלוח ספריית התרכובת לצלחת 384 בארות באמצעות פיפטה רב ערוצית.
4. צנטריפוגה את הנוזל למשך דקה אחת ב 500 × גרם, בטמפרטורת החדר.
   הערה: לצלחות צנטריפוגות נדרשים רוטור דלי נדנדה ודלי צלחות.

4. טיפול בתאים

1. הוסף 20 μL של תרחיף נויטרופילים לכל באר באמצעות פיפטה 16 ערוצים (טווח 5-50 μL, עבור כל עמודה של צלחת 384 באר). מערבבים בעדינות 5-10 פעמים באמצעות הפיפטה, תוך שמירה על מרווח זמן קבוע בין כל פיפטה.
   הערה: הריכוזים הסופיים בבארות הם כדלקמן: נויטרופילים 2.5 × 10⁵ תאים/מ"ל (כל הבארות); mAb24-APC 0.5 מיקרוגרם/מ"ל (כל הבארות); fMLP 100 ננומטר (בארות בקרה ובדיקה חיוביות); תרכובות 10 מיקרומטר (בארות בדיקה).
2. דוגרים על הצלחת על שייקר ב-300 סל"ד, בטמפרטורת החדר (RT), למשך 10 דקות.
3. תקן את התאים על ידי הוספת 3 μL של 16% paraformaldehyde (PFA) לכל באר באמצעות פיפטה 16 ערוצים (ריכוז PFA סופי ~ 0.91%). לאחר מכן, לדגור על קרח במשך 10 דקות.
   הערה: מומלץ לשמור על מרווח זמן עקבי בין עמודות שונות בעת הוספת נויטרופילים ו- PFA. זה מבטיח שלנויטרופילים בכל באר יהיה אותו זמן דגירה עם fMLP ו-mAb24-APC.

5. ציטומטריית זרימה

1. הפעל את ציטומטר הזרימה (ראה טבלת חומרים) וודא שגם המחשב המחובר למכשיר מופעל.
2. ודא שמיכל נוזל הנדן מלא, ומיכל הפסולת ריק ומחובר כראוי למכשיר.
3. טען את צלחת 384 הקידוח על מעמיס הדגימה של ציטומטר הזרימה. ודא שבאר A1 של הצלחת מיושרת עם סימן A1 על המעמיס.
4. פתח את התוכנה וצור ניסוי חדש. בחר 384 היטב ובחר את fluorophores הרצוי. לאחר מכן, לחץ על הגדרת לוחית, גרור כדי לבחור את כל הבארות ולאחר מכן לחץ על מדגם. הפעל את המתג "תפוקה גבוהה" ובחר גבוה בחלונית התעריפים.
   1. בתיבת עוצמת הקול, הזן 50. בחר דוגמאות בעמודות אי-זוגיות ולאחר מכן הפעל את המתג "תסיסה". לבסוף, תן שם לדוגמאות בחלונית הימנית.
5. לחץ על מגרש ושער. לאחר מכן, לחץ על כפתור החל (שני חצים על עיגול מלא ירוק), ולאחר מכן, לחץ על כפתור ההפעלה (צורת משולש). המתן מספר שניות כדי לצפות בכמה תאים מהבאר הראשונה ולאחר מכן לחץ על כפתור ההשהיה .
   1. התאם את מתחי FSC ו- SSC כדי להבטיח הדמיה נכונה של תאים במגרש. לחץ על רכישה ולאחר מכן לחץ על כפתור ההפעלה (צורת משולש) כדי להתחיל את הבדיקה.
6. ציטומטר הזרימה ידגום ברצף ~ 50 μL של 1000-3000 נויטרופילים מכל באר. זה ייקח בערך 3 שעות כדי להשלים את כל צלחת 384-באר.
7. לאחר השלמת כל הדגימות, יצא את קבצי ה- .fcs לשלב הבא.

6. ניתוח נתונים

1. פתח את התוכנה לניתוח נתוני ציטומטריית זרימה (ראה טבלת חומרים). בחר וגרור את התיקיה המכילה את כל קבצי ה- .fcs לחלון התוכנה ולאחר מכן שחרר כדי לייבא את הנתונים לתוכנה.
2. לחץ פעמיים על דגימה אחת, שער נויטרופילים בודדים המבוססים על FSC ו- SSC^28,29,30 בחלון המוקפץ^, כפי שמוצג באיור 3. בחר את השורות המגודרות וגרור אותן לתיקיה ולאחר מכן שחרר כדי להחיל את ה- gating על כל הדגימות בתיקיה זו.
3. חשב וייצא את עוצמת הפלואורסצנטיות החציונית של APC (MFI) של נויטרופילים מכל באר באמצעות פונקציית עורך הטבלאות של התוכנה. לחץ על הוסף עמודה תחת הכרטיסייה עריכה . בחר חציון בכרטיסייה סטטיסטיקה , בחר את הנויטרופילים של האוכלוסייה המגודרת ובחר APC כפרמטר. לחץ על בסדר לחצן.
4. חזור לכרטיסייה "עורך טבלה", בחר כל הדגימות בכרטיסייה "קבוצה" ולחץ על הלחצן צור טבלה . יופיע חלון חדש המציג את הטבלה שנוצרה. שמור אותו כקובץ טקסט, CSV או Excel.
5. פתח את הטבלה המיוצאת, חשב את הערך הממוצע וסטיית התקן של APC MFI עבור דגימות הבקרה החיוביות והשליליות (איור 4).
6. חשב את גורם Z (Z') של הלוח באמצעות המשוואה:
   Z' = 1 - 3(σ p + σ n)/(μ_p - μ_n),
   כאשר σ p ו- σ n הן סטיות התקן של הפקדים החיוביים והשליליים, בהתאמה, ו- μ_p ו- μ_n הם אמצעי הבקרה החיובית והשלילית, בהתאמה³¹.
   הערה: גורם Z מציין את ההפרדה בין התפלגות הבקרה החיובית והשלילית. Z' של 0 פירושו שאין הפרדה, ואילו Z' של 0.5 מציין הפרדה שווה. כפי שהוזכר במחקר קודם³¹, Z' > 0.5 מצביע על בדיקה מצוינת לסינון מורכב. Z' בטווח של 0.5 עד 0 מקובל, אך הוא עשוי לזהות רק פגיעות חזקות בבדיקה, מה שידרוש אימות נוסף בבדיקות משניות.
7. חשבו על תרכובות כ"מכה" לסינון כאשר APC MFI של נויטרופילים שטופלו בתרכובות נמוך מפי שלושה מסטיית התקן של MFI הבקרה החיובית שהופחתה מ-MFI הבקרה החיובית (P = 0.0013, המיוצג על-ידי הקו המקווקו באיור 4).

תוצאות

נתונים מבדיקת לוחות 384 בארות מייצגת (איור 4) גילו כי לבקרות שליליות היה MFI של mAb24-APC של 3236 ± 110, בעוד שלבקרות חיוביות היה MFI של mAb24-APC של 7588 ± 858. מקדם Z' עבור צלחת זו הוא בערך 0.33, שהוא בטווח מקובל³¹. עם זאת, Z' דורש אימות נוסף במבחני משנה.

כדי לנרמל את הנתונים,...

Discussion

ההתחלה והסיום של גירוי נויטרופילים וצביעה נקבעים על ידי תוספת של נויטרופילים ו- PFA קיבוע. לכן, הבטחת מרווח זמן זהה בין צנרת נויטרופילים או PFA לתוך כל עמודה היא קריטית. זה מבטיח שהגירוי וזמן הצביעה של נויטרופילים מכל באר יישאר עקבי. בשל תוחלת החיים הקצרה של נויטרופילים, הניסוי כולו, החל מאיסו?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
16-channel pipettes	Thermo	4661090N	Instrument
384-well plate	Greiner	784201	Materials
APC anti-human CD11a/CD18 (LFA-1) Antibody Clone: m24	BioLegend	363410	Reagents
Bravo Automated Liquid Handling Platform	Agilent	16050-102	384 multi-channel liquid handler
Centrifuge	Eppendorf	Model 5810R	Instrument
FlowJo	Becton, Dickinson & Company	NA	Software
Human Serum Albumin Solution (25%)	GeminiBio	800-120	Reagents
Lifitegrast	Thermofisher	50-208-2121	Reagents
Nexinhib20	Tocris	6089	Reagents
N-Formyl-Met-Leu-Phe (fMLP)	Sigma	F3506	Reagents
Paraformaldehyde 16% solution	Electron Microscopy Sciences	15710	Reagents
Plate buckets	Eppendorf	UL155	Accessory
Plate shaker	Fisher	88-861-023	Instrument
PolymorphPrep	PROGEN	1895 (previous 1114683)	Reagents
Prestwick Chemical Library Compound Plates (10 mM)	Prestwick Chemical Libraries	Ver19_384	1520 small molecules, 98% marketed approved drugs (FDA, EMA, JAN, and other agencies approved)
RPMI 1640 Medium, no phenol red	Gibco	11-835-030	Reagents
Swing-bucket rotor	Eppendorf	A-4-62	Rotor
ZE5 Cell Analyzer	Bio-Rad Laboratories	Model ZE5	Instrument