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Questo lavoro presenta un protocollo ottimizzato per immobilizzare e quantificare in modo riproducibile il collagene di tipo I e III su micropiastre, seguito da un protocollo migliorato di saggio di legame in vitro per studiare le interazioni collagene-composto utilizzando un metodo di fluorescenza risolto nel tempo. Vengono fornite le successive analisi e interpretazioni dei dati passo dopo passo.
La fibrosi si verifica in vari tessuti come risposta riparativa a lesioni o danni. Se eccessiva, tuttavia, la fibrosi può portare a cicatrici tissutali e insufficienza d'organo, che è associata a un'elevata morbilità e mortalità. Il collagene è un fattore chiave della fibrosi, con il collagene di tipo I e di tipo III che sono i tipi principali coinvolti in molte malattie fibrotiche. A differenza dei protocolli convenzionali utilizzati per immobilizzare altre proteine (ad esempio, elastina, albumina, fibronectina, ecc.), non sono prontamente disponibili protocolli completi per immobilizzare in modo riproducibile diversi tipi di collagene al fine di produrre rivestimenti stabili. L'immobilizzazione del collagene è sorprendentemente impegnativa perché molteplici condizioni sperimentali possono influenzare l'efficienza dell'immobilizzazione, tra cui il tipo di collagene, il pH, la temperatura e il tipo di micropiastra utilizzata. Qui, viene fornito un protocollo dettagliato per immobilizzare e quantificare in modo riproducibile i collageni di tipo I e III con conseguente gel/film stabili e riproducibili. Inoltre, questo lavoro dimostra come eseguire, analizzare e interpretare studi in vitro di legame della fluorescenza risolti nel tempo per studiare le interazioni tra collageni e composti candidati leganti il collagene (ad esempio, un peptide coniugato a un chelato metallico che trasporta, ad esempio, l'europio [Eu(III)]). Tale approccio può essere universalmente applicato a varie applicazioni biomediche, tra cui il campo dell'imaging molecolare per sviluppare sonde di imaging mirate, lo sviluppo di farmaci, studi di tossicità cellulare, studi di proliferazione cellulare e saggi immunologici.
L'accumulo di tessuto connettivo fibroso come parte del naturale processo di guarigione delle ferite a seguito di una lesione tissutale è noto come fibrosi. Tuttavia, se la deposizione di tessuto fibroso non termina e continua oltre quanto necessario per la riparazione dei tessuti, la fibrosi diventa eccessiva 1,2. Un'eccessiva fibrosi compromette la fisiologia e la funzione degli organi e potrebbe portare a danni agli organi e potenzialmente insufficienza d'organo 3,4,5. Due fattori principali della fibrosi sono le proteine della matrice extracellulare (ECM), il collagene di tipo I e di tipo III6. Il collagene è una proteina strutturale presente in vari organi che costituisce circa un terzo del contenuto proteico totale del corpo umano1. Esistono 28 diversi tipi di collagene identificati dal sequenziamento del genoma umano e i più abbondanti sono i collageni fibrillari7. Il collagene fibrillare primario è il collagene di tipo I, che fornisce alla ECM resistenza alla trazione e alla deformazione8. Il collagene di tipo III è un componente strutturale che fornisce elasticità e si colocalizza con il collagene di tipo I. È espresso durante l'embriogenesi e si trova naturalmente in piccole quantità nella pelle, nei muscoli e nei vasi sanguigni degli adulti9.
In vivo la sintesi del collagene inizia con un processo intracellulare in cui l'mRNA viene trascritto nel nucleo e poi si sposta nel citoplasma, dove viene tradotto. Dopo la traduzione, la catena formata subisce una modificazione post-traduzionale nel reticolo endoplasmatico, dove si forma il pro-collagene (il precursore del collagene). Il pro-collagene viaggia quindi verso l'apparato di Golgi per la modifica finale prima di essere escreto nello spazio extracellulare10. Attraverso la scissione proteolitica, il pro-collagene viene trasformato in tropocollagene. Questo viene quindi reticolato tramite una via di cross-linking enzimatica mediata catalizzata dall'enzima lisil ossidasi (LOX) o tramite una via di cross-linking non enzimaticamente mediata che coinvolge la reazione di Maillard11. I protocolli in vitro per immobilizzare il collagene si basano principalmente sulla capacità del collagene di autoassemblarsi. Il collagene viene estratto dai tessuti in base alla sua solubilità, che dipende in gran parte dall'entità della reticolazione delle singole fibrille di collagene7. Il collagene fibrillare è disciolto in acido acetico e le fibrille possono riformarsi quando il pH e la temperatura vengono regolati12. In vitro, la fibrillogenesi del collagene può essere vista come un processo in due fasi7. La prima fase è la fase di nucleazione, in cui le fibre di collagene formano dimeri e fibrille trimeri prima di essere riarrangiate per formare una struttura a tripla elica. La seconda fase è la fase di crescita, in cui le fibrille iniziano a crescere lateralmente e provocano la caratteristica formazione della banda D, che è generalmente osservata da cambiamenti nella torbidità7. Gli studi di microscopia a forza atomica (AFM) hanno anche rivelato che il collagene di tipo I e di tipo III hanno caratteristiche diverse (Tabella 1)13.
Per studiare le interazioni di legame tra il collagene e altri composti, il collagene deve essere immobilizzato in modo riproducibile nei pozzetti delle micropiastre. Esistono vari protocolli per immobilizzare il collagene solubile 14,15,16. Le micropiastre disponibili in commercio pre-rivestite con collagene sono tipicamente utilizzate per la coltura cellulare. Tuttavia, le micropiastre pre-rivestite hanno uno strato molto sottile di una quantità sconosciuta di collagene rivestita sui pozzetti, il che le rende inadatte per i saggi di legame in vitro. Ci sono diverse sfide quando si immobilizza il collagene sui pozzetti della piastra. Una delle sfide principali è la scelta di un tipo di micropiastra adatto, perché diversi tipi di collagene (ad esempio, tipo I e III) hanno proprietà chimiche diverse e, quindi, immobilizzano in modo più stabile ed efficace a seconda del materiale della micropiastra. Un'altra sfida sono le condizioni sperimentali del protocollo di immobilizzazione, poiché il processo di fibrillogenesi dipende da molteplici fattori, tra cui la temperatura, il pH, la concentrazione di stock di collagene e la concentrazione ionica del tampone7.
Per studiare le interazioni tra il collagene (il bersaglio) e altri composti (ad esempio, un peptide bersaglio), è anche necessario sviluppare un robusto saggio di screening per indagare la specificità e la selettività del composto verso il bersaglio misurando la costante di dissociazione, Kd. La posizione dell'equilibrio di formazione di un complesso bimolecolare tra una proteina (collagene) e un ligando è espressa in termini della costante di associazione Ka, la cui grandezza è proporzionale all'affinità di legame. Tuttavia, più comunemente, i biochimici esprimono relazioni di affinità in termini della costante di dissociazione di equilibrio, Kd, del complesso bimolecolare, che è definito come Kd = 1/Ka (Kd ed è l'inverso di Ka). Più basso è il valore di Kd, più forte è la forza di legame tra la proteina e il ligando. Il vantaggio di utilizzare Kd per confrontare l'affinità di legame di diversi ligandi per la stessa proteina (e viceversa) è legato al fatto che le unità di Kd per un complesso bimolecolare sono mol/L (cioè unità di concentrazione). Nella maggior parte delle condizioni sperimentali, il valore di Kd corrisponde alla concentrazione del ligando che porta alla saturazione del 50% dei siti di legame disponibili sul bersaglio all'equilibrio17,18. La costante di dissociazione viene tipicamente estratta analizzando l'occupazione frazionaria del recettore (FO), che è definita come il rapporto tra i siti di legame occupati e i siti di legame totali disponibili, in funzione della concentrazione del ligando. Ciò può essere fatto a condizione che sia disponibile un test analitico in grado di distinguere e misurare la quantità di ligando legato.
I saggi di legame del ligando in vitro possono essere eseguiti utilizzando vari metodi bioanalitici, tra cui la fotometria ottica, i metodi del radioligando, la spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS) e la risonanza plasmonica di superficie (SPR). Tra i metodi fotometrici, quelli basati sull'emissione di fluorescenza richiedono tipicamente la marcatura di ligandi o proteine con fluorofori per aumentare la sensibilità e migliorare il limite di rilevabilità del saggio. I chelati di alcuni ioni lantanide (III), come l'Eu (III), sono molto attraenti come fluorofori in quanto hanno grandi spostamenti di Stokes, bande di emissione strette (che forniscono un buon rapporto segnale/rumore), fotosbiancamento limitato e lunga durata di emissione. È importante sottolineare che quest'ultima proprietà consente l'uso della fluorescenza risolta nel tempo (TRF) dai fluorofori Eu(III) per abolire l'autofluorescenza di fondo19. Nella versione DELFIA (Dissociation-Enhancement Lanthanide fluorescent immunoassay) del test TRF basato su Eu(III), i ligandi marcati con un chelato di Eu(III) non luminescente vengono incubati con il recettore immobilizzato su micropiastre. Il complesso ligando/recettore marcato viene separato dal ligando non legato e la fluorescenza Eu(III) viene attivata dalla dissociazione del complesso Eu(III) a pH acido, seguita dalla ricomplessazione con un chelante che migliora la fluorescenza per formare un complesso Eu(III) altamente fluorescente20 incorporato nella micella.
La fase di decomplessazione può essere ragionevolmente ottenuta con chelanti, come il dietilentriammina pentaacetato (DTPA), che mostrano una cinetica di decomplessazione rapida. Tuttavia, i complessi Eu(III) con alcuni chelanti macrociclici, come DOTA (acido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano1,4,7,10-tetraacetico) e i suoi derivati monoammidici (DO3AAm), mostrano un'elevata stabilità termodinamica e un'elevata inerzia cinetica. In questo caso, le fasi di decomplessazione devono essere accuratamente ottimizzate per ottenere un'attivazione sufficiente e riproducibile del TRF21 a base di Eu(III). Vale la pena notare che i complessi lantanidi (Ln(III))-DOTA e Ln(III)-DO3AAm sono quelli più comunemente impiegati come agenti di contrasto per l'imaging molecolare in vivo mediante tecniche di risonanza magnetica (MRI)22. Pertanto, il test TRF basato su Ln(III) è lo strumento di scelta per studiare in vitro l'affinità di legame delle sonde molecolari MRI con i bersagli biologici previsti. Attualmente, mancano protocolli completi e riproducibili per immobilizzare il collagene di tipo I e di tipo III e una pipeline riproducibile per l'esecuzione di esperimenti di TRF di legame in vitro con Eu(III). Per superare queste limitazioni, sono stati sviluppati metodi riproducibili per autoassemblare e immobilizzare il collagene di tipo I e di tipo III e generare gel e film stabili, rispettivamente, con la concentrazione sufficiente di collagene richiesta per i saggi di legame in vitro . Viene presentato un protocollo ottimizzato per Eu(III) TRF di complessi altamente inerti basati su Eu(III)-DO3Aam. Infine, è stato dimostrato un test TRF Eu(III) in micropiastra ottimizzato per misurare il Kd dei ligandi marcati con Eu(III) verso il collagene immobilizzato di tipo I e di tipo III (Figura 1).
NOTA: Tutte le informazioni sul prodotto utilizzate per questo lavoro sono presentate nella Tabella dei materiali.
1. Immobilizzazione del collagene
NOTA: Assicurarsi che ogni pozzetto nella micropiastra utilizzata durante il saggio di legame abbia pozzetti adiacenti liberi per evitare la fluorescenza incrociata. Esegui questa parte del protocollo sul ghiaccio perché il collagene si autoassembla all'aumentare delle temperature e dei livelli di pH. Eseguire questa procedura in una cappa per colture tissutali e in condizioni sterili poiché le micropiastre vengono successivamente incubate in un incubatore per colture tissutali (TC).
2. Valutazione della stabilità dei gel/film di collagene immobilizzati
3. Saggio di legame del ligando TRF dell'europio (III) (Figura 1)
NOTA: Il composto utilizzato è un peptide candidato legante il collagene (CBP) marcato con un singolo complesso Eu(III)-DO3AAm, denominato Eu(III)-DO3AAm-CBP (Figura 4).
4. Analisi dei dati
Valutazione della stabilità e della concentrazione del collagene di tipo I e III immobilizzato in gel/film
La quantificazione della concentrazione di collagene immobilizzato per pozzetto è stata effettuata utilizzando tre diverse condizioni: a) in pozzetti senza lavaggio con PBS dopo immobilizzazione delle proteine (no wash); b) in pozzetti con una fase di lavaggio (due volte con PBS) dopo l'immobilizzazione per rimuovere qualsiasi proteina non rivestita; c) in pozz...
Questo lavoro presenta un metodo riproducibile per immobilizzare il collagene di tipo I e di tipo III. Dimostra inoltre un protocollo per l'acquisizione, l'analisi e l'interpretazione dei dati di legame TRF Eu(III) in vitro per caratterizzare le proprietà di legame di un ligando candidato verso il collagene di tipo I e III. I protocolli per immobilizzare il collagene di tipo I e di tipo III qui presentati sono stati sviluppati e ottimizzati considerando il lavoro precedentement...
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Siamo grati ai seguenti finanziatori per aver sostenuto questo lavoro: (1) il Medical Research Council del Regno Unito (MR/N013700/1) e il King's College di Londra, membro della MRC Doctoral Training Partnership in Biomedical Sciences; (2) Sovvenzione del programma BHF RG/20/1/34802; (3) Sovvenzione per il progetto BHF PG/2019/34897; (4) Sovvenzione del King's BHF Centre for Research Excellence RE/18/2/34213; (5) il programma ANID Millennium Science Initiative - ICN2021_004; e (6) FB210024 di sovvenzione basale 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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