É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
Method Article
Este protocolo demonstra o registro em tempo real de relações completas de resposta a dose para ativação gpcr induzida por agonista a partir de uma única camada celular cultivada em um único microeletrodo usando medidas de impedância sem rótulo. O novo esquema de dosagem aumenta significativamente o throughput sem perda na resolução de tempo.
Ensaios baseados em impedância sem rótulos são cada vez mais usados para estudar contraato sinuoso ativado rGP em experimentos de cultura celular. A abordagem fornece monitoramento celular em tempo real com uma resolução de tempo dependente do dispositivo até várias dezenas de milissegundos e é altamente automatizada. No entanto, quando os números de amostra ficam altos (por exemplo, estudos de dose-resposta para várias ligas diferentes), o custo para as matrizes de eletrodos descartáveis, bem como a resolução de tempo disponível para gravações sequenciais bem-por-bem podem se tornar limitadoras. Portanto, apresentamos aqui um protocolo de adição agonista em série que tem o potencial de aumentar significativamente a produção de ensaios GPCR sem rótulos. Usando o protocolo de adição agonista serial, um agonista gpcr é adicionado sequencialmente em aumentar as concentrações em uma única camada celular enquanto monitora continuamente a impedância da amostra (modo agonista). Com essa abordagem serial, agora é possível estabelecer uma curva completa de resposta de dose para um agonista GPCR de apenas uma camada de célula única. O protocolo de adição agonista serial é aplicável a diferentes tipos de acoplamento GPCR, Gq Gi/0 ou Gs e é compatível com níveis de expressão recombinantes e endógenos do receptor em estudo. O bloqueio de receptores por antagonistas gpcr também é avaliado (modo antagonista).
Este relatório apresenta uma descrição detalhada de um protocolo de adição serial desenvolvido para a quantificação da ativação do receptor acoplado por proteínaG induzida por ligand (GPCR) em células cultivadas aderentamente por medições de impedância sem rótulo. Os receptores acoplados à proteína G (GPCRs) estão envolvidos em uma infinidade de funções fisiológicas e doenças humanas1. Por causa disso e sua boa acessibilidade na superfície celular, os GPCRs são um dos alvos mais importantes de drogas. Esta avaliação se reflete em um número estimado de ~700 medicamentos aprovados visando GPCRs, equivalente a uma participação de ~35% em todas as drogas comercializadas2.
O desenvolvimento de novas drogas compreende dois processos centrais: (i) a identificação e caracterização funcional de moléculas-alvo biológicas, e (ii) a descoberta de novas substâncias de chumbo e seu desenvolvimento em drogas administradas. Em ambos os processos, métodos eficientes são necessários para avaliar quantitativamente as interações medicamentosas-alvo e a resposta biológica subsequente a jusante. Diferentes estágios do processo pré-clínico de desenvolvimento de medicamentos fazem uso de diferentes métodos de análise que vão desde estudos de interação biomolecular entre medicamentos e alvos, além de estudos funcionais sobre células na cultura, até experimentos sobre material de órgãos excizados ou animais inteiros. Tanto, a significância fisiológica quanto a complexidade biológica aumentam do primeiro para o último3. Embora seja o objetivo global de minimizar os experimentos com animais, estudos farmacológicos usando órgãos isolados de animais de laboratório ou mesmo animais inteiros são considerados inevitáveis para caracterizar de forma abrangente novos candidatos a medicamentos. Em termos de leitura analítica, estudos de farmacologia de órgãos fornecem uma resposta funcional distal e integrativa "holística" de maior relevância fisiológica. Uma desvantagem desses experimentos é que eles não são compatíveis com triagem de alto desempenho por razões técnicas e éticas e foram amplamente substituídos por estudos baseados na cultura celular in vitro4.
Métodos para quantificar a ativação do GPCR nas culturas celulares incluem diferentes ensaios químicos baseados em rótulos, que detectam especificamente segundo mensageiros, estado de fosforilação de proteínas de sinalização a jusante, ativação transcricional através de certos fatores de transcrição ou tráfico de receptor intracelular induzido por ligand4,5. Uma desvantagem desses ensaios baseados em rótulos é a necessidade de rotular as células com corantes potencialmente prejudiciais ou marcadores radioativos. Isso muitas vezes requer executar o ensaio como uma determinação de ponto final para um tempo de exposição que tem que ser especificado um priori. O uso de ensaios de ponto final baseados em rótulos sofre desse timing muito limitado e tendencioso do experimento e do risco de que rótulos químicos e sondas possam interferir na fisiologia celular regular – potencialmente despercebida pelo experimentador.
Nos últimos anos, ensaios sem rótulos para monitoramento da ativação do GPCR surgiram, como técnicas baseadas em impedância ou métodos ópticos que aplicam grades ressonantes de guia de onda5,6. A rotulagem das células não é experimentalmente necessária com essas abordagens. Como essas leituras físicas operam em sinais de baixa amplitude, tais métodos são considerados não invasivos, permitem o monitoramento contínuo celular potencialmente em tempo real e o tempo de observação é limitado apenas pela cultura celular não pela leitura. Semelhante às leituras de órgãos inteiros, abordagens sem rótulos comumente relatam respostas de células holísticas, muito a jusante da ativação do receptor quando a integração ao longo de toda a rede de sinalização leva a mudanças dependentes do tempo, mas sim inespecíficas na morfologia celular ou redistribuição em massa. Considerando que ensaios baseados em impeção medem a assinatura dielétrica de mudanças na forma celular7,8, as medidas usando grades ressonantes de guia de onda são sensíveis a alterações no índice refrativo na interface do substrato celular decorrentes da redistribuição dinâmica de massa (DMR)9. O caractere integrativo torna os métodos livres de rótulos extremamente sensíveis aos eventos mediados por receptores, independentemente do tipo(s) de proteína G (Gq , Gi/0, G12/13) ou β-arrestin envolvido na cascata de sinalização 6 e adequado para níveis endógenos de expressão do receptor.
Em um ensaio baseado em impedância sem rótulo padrão, as células são cultivadas em placas multi-bem com eletrodos de filme de ouro coplanar depositados na parte inferior de cada poço10. Essas matrizes de eletrodos estão conectadas a um analisador de impedância e as respostas das células a um estímulo experimental são registradas a partir de poços individuais por leituras de impedância resolvidas pelo tempo. Em um ensaio típico gpcr um ligand é adicionado em concentrações individualmente diferentes para cada bem individual. As alterações induzidas no curso de tempo de impedância são então analisadas em relação a características de curva característica, como mudança máxima de sinal, área a curva, mudança de sinal dentro de um determinado intervalo de tempo ou inclinação da curva em um ponto de tempo especificado, a fim de quantificar a potência e eficácia do ligand11.
O custo das matrizes de eletrodos pode limitar a aplicação dessa técnica em campanhas de triagem de alto nível (HTS). Além disso, com o aumento do número de amostras a serem seguidas em paralelo, o número de medições individuais aumenta e, assim, reduz a resolução de tempo disponível para cada poço gradualmente - mesmo para gravações multicanais de última geração. Nessas condições, respostas rápidas e transitórias das células podem escapar da medição. Além disso, o convencional bem – uma abordagem de concentração impõe um fator de tempo e custo significativo sem recursos perfundidos em desenvolvimentos de órgãos-on-chip ou body-on-chip em relação à sua adequação na análise de interação ligand-GPCR.
Por essa razão, desenvolvemos um protocolo de dosagem stepwise que permite a gravação de curvas completas de resposta de dose da ativação gpcr induzida por ligand em monocamadas de células cultivadas, monitorando continuamente a impeância de um único poço enquanto a concentração agonista é aumentada stepwise. O protocolo de adição agonista em série aumenta significativamente o throughput por poço de uma concentração para 10 ou mais concentrações, como mostrado no exemplo atual das células U-373 MG humanas, que expressam endógenamente o receptor histamina 1 (H1R). Assim, o método tem o potencial de melhorar significativamente o throughput em estudos de dose-resposta sem rótulos, enquanto a resolução de tempo é mantida no máximo instrumental.
1. Semeade celular em matrizes de eletrodos
NOTA: A seleção do layout do eletrodo é uma troca entre sensibilidade e número de células em estudo. Quanto menor o eletrodo, mais sensível é a medida, mas menor é o número de células em estudo. Para as células que mostram fortes flutuações de impedância ao longo do tempo em condições de linha de base, eletrodos maiores ou interdigitados são preferíveis.
2. Equilíbrio de células em meio soro-livre
3. Monitoramento do equilíbrio celular com leituras de impedância
4. Preparação de soluções agonistas para experimentos em modo agonista
NOTA: Considere o número de réplicas e calcule o volume total de "solução a ser adicionada" para cada etapa de concentração. Os resultados de um cálculo típico são dados nas tabelas 1-4. É preciso uma ideia geral sobre a faixa de concentração agonista para ser estudada, pois a faixa define as concentrações e o número de porções a serem administradas durante a adição serial. Usando o protocolo de adição agonista serial, a concentração agonista é aumentada stepwise. Portanto, a quantidade de agonista já está no poço quando a próxima dose é adicionada tem que ser levada em conta. Quando o número de moléculas agonistas já presentes no poço é de nx = cx =Vx (com a concentração atual cx e volume Vx) e o número de moléculas no poço após a próxima adição é nx+y, o número de moléculas a serem adicionadasn y é determinado pela concentração cy e volume Vy da solução a ser aplicada ao poço (ny =c y ◗ Vy). Depois de adicionar uma porção de agonista, a nova quantidade de moléculas agonistas no poço é: cx+y ◗ Vx+y = cx ◗ Vx + cy ◗ Vy. Este cálculo se aplica a cada etapa subsequente. Devido à interdependência da concentração agonista no poço e à quantidade de agonista nas porções a serem adicionadas a cada passo, é importante definir as concentrações finais após cada passo de antecedência.
Modo 1: O volume no poço aumentará a cada passo à medida que o líquido é continuamente adicionado.
Usando este modo e um formato de 8 poços, use Vx1 = 200 μL e Vy1 .... Vyi = 30 μL.
Modo 2: O volume no poço é constante, pois o volume adicionado a cada etapa é removido pouco antes da adição subsequente.
Usando este modo e um formato de 96 poços, use Vx1 = 150 μL e Vy1 .... Vyi = 75 μL.
5. Preparação de soluções agonistas para experimento em modo antagonista
NOTA: Prepare a solução antagonista com a concentração a ser aplicada durante todo o processo. O volume e a concentração da solução antagonista dependem do modo de adição agonista (1 ou 2). Exemplos para experimentos em formato de 8 poços ou 96 poços no modo de adição 2: (A) formato de 8 poços (Vx1 = 200 μL, VAntagonist = 200 μL); (B) formato de 96 poços (Vx1 = 150 μL, VAntagonist = 75 μL).
6. Realizar o protocolo de adição serial no modo agonista
A: Formato modo 1 / 8-well
B: Formato modo 2 / 96-well
NOTA: Pausa a aquisição de dados durante cada etapa de manuseio líquido (adição/remoção) através do software do instrumento de impedância ao executar experimentos em formato de 96 poços. A movimentação líquida mais elaborada pode interferir na aquisição de dados. Use uma pipeta multicanal.
7. Realizar o protocolo de adição serial no modo antagonista
8. Exportação e análise de dados
NOTA: c indica a concentração agonista, A1 é o mínimo e A2 é o máximo assimptote da curva sigmoidal dose-resposta (A2 = EMax). EC50 é a concentração no ponto de inflexão da curva, e n corresponde à encosta da Colina.
Um esquema típico para preparar as várias soluções agonistas é mostrado para um experimento usando matrizes de eletrodos de 8 poços com histamina como agonista nas tabelas 1-4. Tabela 1 e Tabela 2 apresentam volumes e concentrações para um experimento utilizando o modo de adição 1 (cf., Figura 1),enquanto a Tabela 3 e a Tabela 4 apresentam volumes e concentrações para um experime...
Este protocolo descreve um método para medições de impedância sem rótulos para determinar a relação de dose-resposta da ativação gpcr induzida por agonistas na ausência ou presença de antagonistas específicos para o mesmo receptor. A prova de conceito desse método foi apresentada em uma publicação recente12. Para nosso conhecimento, é o primeiro estudo descrevendo o estabelecimento de uma curva completa de resposta de dose da ativação GPCR mediada por agonistas usando uma única ...
Os autores não têm nada para divulgar.
Agradecemos a Barbara Goricnick e Nadja Hinterreiter pela ajuda com o culturing celular e a preparação de soluções experimentais. Os autores reconhecem com gratidão o apoio financeiro do Grupo de Treinamento de Pesquisa 1910 Química medicinal de ligas seletivas do GPCR financiadas pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) o número de subvenção 222125149. Jas é particularmente grato por uma bolsa de estudos concedida pelo Programa de Igualdade de Gênero bávaro.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bürker counting chamber | Marienfeld (Lauda-Königshofen, Germany) | 640210 | |
cell culture flasks 25 cm2 | Greiner bio-one (Frickenhausen, Germany) | 690175 | |
Cell incubator (Heraeus Function Line BB15) | Thermo Scientific (Darmstadt, Germany) | \ | |
Centrifuge (Heraeus 1S-R) | Thermo Scientific (Darmstadt, Germany) | \ | |
Diphenhydramine hydrochloride | Sigma Aldrich (Taufkirchen, Germany) | D3630 | |
Eagle's Minimum Essential Medium with 4.5 g/L D-Glucose and 2.2 g/L NaHCO3 | Sigma Aldrich (Taufkirchen, Germany) | D5671 | |
Impedance Instrument (ECIS Zθ) | Applied BioPhysics Inc. (Troy, NY, USA) | \ | |
8-well electrode Arrays (8W1E PET) | Applied BioPhysics Inc. (Troy, NY, USA) | \ | PET base with 0.049 mm2 working electrode and ~50 mm2 counter electrode (gold) |
96-well electrode arrays (96W1E+ PET) | Applied BioPhysics Inc. (Troy, NY, USA) | \ | PET base with two electrodes (gold) with 0.256 mm2 total electrode area |
Fetal calf serum (FCS) | Biochrom (Berlin, Germany) | S0615 | |
Histamine dihydrochloride | Carl Roth (Karlsruhe, Germany) | 4017.1 | |
Laminar flow hood (Herasafe, KS 12) | Thermo Scientific (Darmstadt, Germany) | 51022515 | class II safety cabinet |
Leibovitz' L-15 medium | Thermo Scientific (Darmstadt, Germany) | 21083-027 | |
L-glutamine | Sigma Aldrich (Taufkirchen, Germany) | G7513 | |
Micropipette large (100 - 1000 µL) | Brandt (Wertheim, Germany) | 704780 | |
Micropipette large (20 - 200 µL) | Brandt (Wertheim, Germany) | 704778 | |
Microscope (phase contrast, Nikon Diaphot) | Nikon (Düsseldorf, Germany) | ||
Penicillin/streptomycin | Sigma Aldrich (Taufkirchen, Germany) | P0781 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma Aldrich (Taufkirchen, Germany) | D8537 | |
Pipette, serological | Greiner bio-one (Frickenhausen, Germany) | 607 180 | |
Pipettor (accu-jet pro) | Brandt (Wertheim, Germany) | 26300 | |
Trypsin | Sigma Aldrich (Taufkirchen, Germany) | T4174 | in PBS with 1 mM EDTA |
Tube, 15 mL | Greiner bio-one (Frickenhausen, Germany) | 188 271 | |
Tube, 50 mL | Greiner bio-one (Frickenhausen, Germany) | 210 261 | |
U-373 MG cells | ATCC (Rockville, MD, USA) | ATCC HTB-17 | |
water bath (TW21) | Julabo (Seelbach, Germany) | \ |
Solicitar permissão para reutilizar o texto ou figuras deste artigo JoVE
Solicitar PermissãoThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados