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Method Article
* Estes autores contribuíram igualmente
Este trabalho apresenta um protocolo otimizado para imobilizar e quantificar de forma reprodutível o colágeno tipo I e III em microplacas, seguido por um protocolo aprimorado de ensaio de ligação in vitro para estudar as interações colágeno-composto usando um método de fluorescência resolvido no tempo. A análise e interpretação de dados passo a passo subsequentes são fornecidas.
A fibrose ocorre em vários tecidos como uma resposta reparadora a lesões ou danos. Se excessiva, no entanto, a fibrose pode levar a cicatrizes teciduais e falência de órgãos, o que está associado a alta morbidade e mortalidade. O colágeno é um dos principais impulsionadores da fibrose, sendo o colágeno tipo I e tipo III os principais tipos envolvidos em muitas doenças fibróticas. Ao contrário dos protocolos convencionais usados para imobilizar outras proteínas (por exemplo, elastina, albumina, fibronectina, etc.), protocolos abrangentes para imobilizar de forma reprodutível diferentes tipos de colágenos a fim de produzir revestimentos estáveis não estão prontamente disponíveis. A imobilização do colágeno é surpreendentemente desafiadora porque várias condições experimentais podem afetar a eficiência da imobilização, incluindo o tipo de colágeno, o pH, a temperatura e o tipo de microplaca usada. Aqui, é fornecido um protocolo detalhado para imobilizar e quantificar de forma reprodutível os colágenos tipo I e III, resultando em géis/filmes estáveis e reprodutíveis. Além disso, este trabalho demonstra como realizar, analisar e interpretar estudos in vitro de ligação de fluorescência resolvidos no tempo para investigar as interações entre colágenos e compostos candidatos a ligação ao colágeno (por exemplo, um peptídeo conjugado a um quelato metálico carregando, por exemplo, európio [Eu(III)]). Essa abordagem pode ser universalmente aplicada a várias aplicações biomédicas, incluindo o campo da imagem molecular para desenvolver sondas de imagem direcionadas, desenvolvimento de medicamentos, estudos de toxicidade celular, estudos de proliferação celular e imunoensaios.
O acúmulo de tecido conjuntivo fibroso como parte do processo natural de cicatrização de feridas após a lesão tecidual é conhecido como fibrose. No entanto, se a deposição de tecido fibroso não terminar e continuar além do necessário para o reparo tecidual, a fibrose se torna excessiva 1,2. A fibrose excessiva prejudica a fisiologia e a função dos órgãos e pode levar a danos aos órgãos e potencialmente falência dos órgãos 3,4,5. Dois principais impulsionadores da fibrose são as proteínas da matriz extracelular (MEC) colágeno tipo I e tipoIII 6. O colágeno é uma proteína estrutural encontrada em vários órgãos que compõe aproximadamente um terço do conteúdo total de proteínas do corpo humano1. Existem 28 tipos diferentes de colágenos identificados pelo sequenciamento do genoma humano, e os mais abundantes são os colágenos fibrilares7. O colágeno fibrilar primário é o colágeno tipo I, que fornece à MEC resistência à tração e resistência à deformação8. O colágeno tipo III é um componente estrutural que fornece elasticidade e colocaliza com o colágeno tipo I. É expresso durante a embriogênese e é encontrado naturalmente em pequenas quantidades na pele, músculos e vasos sanguíneos adultos9.
A síntese de colágeno in vivo começa com um processo intracelular no qual o mRNA é transcrito no núcleo e depois se move para o citoplasma, onde é traduzido. Após a tradução, a cadeia formada sofre modificação pós-traducional no retículo endoplasmático, onde o pró-colágeno (o precursor do colágeno) é formado. O pró-colágeno então viaja para o aparelho de Golgi para modificação final antes de ser excretado para o espaço extracelular10. Através da clivagem proteolítica, o pró-colágeno é transformado em tropocolágeno. Este é então reticulado por meio de uma via de reticulação mediada por enzima catalisada pela enzima lisil oxidase (LOX) ou por meio de uma via de reticulação não mediada por enzima envolvendo a reação de Maillard11. Os protocolos in vitro para imobilizar o colágeno dependem principalmente da capacidade do colágeno de se auto-montar. O colágeno é extraído dos tecidos com base em sua solubilidade, que depende em grande parte da extensão da reticulação das fibrilas de colágeno individuais7. O colágeno fibrilar é dissolvido em ácido acético e as fibrilas podem se reformar quando o pH e a temperatura são ajustados12. In vitro, a fibrilogênese do colágeno pode ser vista como um processo de dois estágios7. O primeiro estágio é a fase de nucleação, onde as fibras de colágeno formam dímeros e trímeros A segunda fase é a fase de crescimento, onde as fibrilas começam a crescer lateralmente e resultam na formação característica da banda D, que geralmente é observada por mudanças na turbidez7. Estudos de microscopia de força atômica (AFM) também revelaram que o colágeno tipo I e tipo III têm características diferentes (Tabela 1)13.
Para estudar as interações de ligação entre o colágeno e outros compostos, o colágeno precisa ser imobilizado de forma reprodutível nos poços das microplacas. Existem vários protocolos para imobilização do colágeno solúvel 14,15,16. Microplacas disponíveis comercialmente que são pré-revestidas com colágeno são normalmente usadas para cultura de células. No entanto, as microplacas pré-revestidas têm uma camada muito fina de uma quantidade desconhecida de colágeno revestida nos poços, o que as torna inadequadas para ensaios de ligação in vitro. Existem vários desafios ao imobilizar colágeno nos poços da placa. Um dos principais desafios é escolher um tipo adequado de microplaca, porque diferentes tipos de colágenos (por exemplo, tipo I e III) têm propriedades químicas diferentes e, portanto, imobilizam de forma mais estável e eficaz, dependendo do material da microplaca. Outro desafio são as condições experimentais do protocolo de imobilização, pois o processo de fibrilogênese depende de múltiplos fatores, incluindo temperatura, pH, concentração estoque de colágeno e concentração iônica do tampão7.
Para estudar as interações entre o colágeno (o alvo) e outros compostos (ou seja, um peptídeo alvo), também é necessário desenvolver um ensaio de triagem robusto para investigar a especificidade e seletividade do composto em direção ao alvo, medindo a constante de dissociação, Kd. A posição do equilíbrio de formação de um complexo bimolecular entre uma proteína (colágeno) e um ligante é expressa em termos da constante de associação Ka, cuja magnitude é proporcional à afinidade de ligação. No entanto, mais comumente, os bioquímicos expressam relações de afinidade em termos da constante de dissociação de equilíbrio, Kd, do complexo bimolecular, que é definido como Kd = 1 / Ka (Kd e é o inverso de Ka). Quanto menor o valorde K d, mais forte é a força de ligação entre a proteína e o ligante. A vantagem de usar Kd para comparar a afinidade de ligação de diferentes ligantes para a mesma proteína (e vice-versa) está ligada ao fato de que as unidades de Kd para um complexo bimolecular são mol / L (ou seja, unidade de concentração). Na maioria das condições experimentais, o valor de Kd corresponde à concentração do ligante que leva a 50% de saturação dos sítios de ligação disponíveis no alvo no equilíbrio17,18. A constante de dissociação é normalmente extraída analisando a ocupação fracionada do receptor (FO), que é definida como a razão entre os locais de ligação ocupados e o total de locais de ligação disponíveis, em função da concentração do ligante. Isso pode ser feito desde que um ensaio analítico capaz de distinguir e medir a quantidade de ligante ligado esteja disponível.
Os ensaios de ligação ao ligante in vitro podem ser realizados usando vários métodos bioanalíticos, incluindo fotometria óptica, métodos de radioligante, espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) e ressonância plasmônica de superfície (SPR). Dentre os métodos fotométricos, aqueles baseados na emissão de fluorescência normalmente requerem a marcação de ligantes ou proteínas com fluoróforos para aumentar a sensibilidade e melhorar o limite de detecção do ensaio. Os quelatos de certos íons lantanídeos (III), como Eu (III), são muito atraentes como fluoróforos, pois têm grandes deslocamentos de Stokes, bandas de emissão estreitas (fornecendo uma boa relação sinal-ruído), fotobranqueamento limitado e longa vida útil de emissão. É importante ressaltar que a última propriedade permite o uso de fluorescência resolvida no tempo (TRF) de fluoróforos Eu(III) para abolir a autofluorescência de fundo19. Na versão de imunoensaio fluorescente de lantanídeo com dissociação aprimorada (DELFIA) do ensaio TRF baseado em Eu(III), os ligantes marcados com um quelato de Eu(III) não luminescente são incubados com o receptor imobilizado em microplacas. O complexo ligante/receptor marcado é separado do ligante não ligado, e a fluorescência Eu(III) é ativada pela dissociação do complexo Eu(III) em um pH ácido, seguida de recomplexação com um quelante que aumenta a fluorescência para formar um complexo Eu(III) altamente fluorescente embebido em micela20.
A etapa de descomplexação pode ser razoavelmente alcançada com quelantes, como o pentaacetato de dietilenotriamina (DTPA), que apresentam cinética de descomplexação rápida. No entanto, complexos Eu(III) com certos quelantes macrocíclicos, como DOTA (ácido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano1,4,7,10-tetracético) e seus derivados monoamida (DO3AAm), apresentam alta estabilidade termodinâmica e inércia cinética muito alta. Nesse caso, as etapas de descomplexação devem ser otimizadas com precisão para obter ativação suficiente e reprodutível do TRF21 baseado em Eu(III). Vale ressaltar que os complexos lantanídeos (Ln(III))-DOTA e Ln(III)-DO3AAm são os mais comumente empregados como agentes de contraste para imagens moleculares in vivo por técnicas de ressonância magnética (RM)22. Assim, o ensaio TRF baseado em Ln(III) é a ferramenta de escolha para estudar in vitro a afinidade de ligação de sondas moleculares de ressonância magnética com seus alvos biológicos pretendidos. Atualmente, faltam protocolos abrangentes e reprodutíveis para imobilizar colágeno tipo I e tipo III e um pipeline reprodutível para realizar experimentos de TRF Eu(III) de ligação in vitro . Para superar essas limitações, foram desenvolvidos métodos reprodutíveis para automontar e imobilizar o colágeno tipo I e tipo III e gerar géis e filmes estáveis, respectivamente, com a concentração suficiente de colágeno necessária para ensaios de ligação in vitro . Um protocolo otimizado para Eu(III) TRF de complexos à base de Eu(III)-DO3Aam altamente inertes é apresentado. Finalmente, um ensaio TRF de microplaca Eu(III) otimizado in vitro para medir o Kd de ligantes marcados com Eu(III) em direção ao colágeno tipo I e tipo III imobilizado é demonstrado (Figura 1).
NOTA: Todas as informações do produto usadas para este trabalho são apresentadas na Tabela de Materiais.
1. Imobilização de colágeno
NOTA: Certifique-se de que cada poço na microplaca usada durante o ensaio de ligação tenha poços adjacentes livres para evitar fluorescência cruzada. Realize esta parte do protocolo no gelo porque o colágeno se auto-monta em temperaturas e níveis de pH crescentes. Realize este procedimento em uma coifa de cultura de tecidos e em condições estéreis, pois as microplacas são posteriormente incubadas em uma incubadora de cultura de tecidos (TC).
2. Avaliação da estabilidade dos géis/filmes de colágeno imobilizados
3. Ensaio de ligação do ligante TRF de európio (III) (figura 1)
NOTA: O composto usado é um peptídeo candidato a ligação ao colágeno (CBP) marcado com um único complexo Eu(III)-DO3AAm, conhecido como Eu(III)-DO3AAm-CBP (Figura 4).
4. Análise dos dados
Avaliação da estabilidade e concentração de colágeno tipo I e tipo III imobilizado em géis/filmes
A quantificação da concentração de colágeno imobilizado por poço foi realizada em três condições diferentes: a) em poços sem lavagem com PBS após imobilização das proteínas (sem lavagem); b) em poços com etapa de lavagem (duas vezes com PBS) após a imobilização para remover qualquer proteína não revestida; c) em poços após incubação com PBS p...
Este trabalho apresenta um método reprodutível para imobilização de colágeno tipo I e tipo III. Ele também demonstra um protocolo para adquirir, analisar e interpretar dados de ligação de TRF Eu(III) in vitro para caracterizar as propriedades de ligação de um ligante candidato ao colágeno tipo I e III. Os protocolos de imobilização do colágeno tipo I e tipo III aqui apresentados foram desenvolvidos e otimizados considerando trabalhos publicados anteriormente sobre ...
Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Somos gratos aos seguintes financiadores por apoiar este trabalho: (1) o Conselho de Pesquisa Médica do Reino Unido (MR / N013700 / 1) e o King's College London, membro da Parceria de Treinamento de Doutorado em Ciências Biomédicas do MRC; (2) Concessão do programa BHF RG / 20/1/34802; (3) Concessão do Projeto BHF PG/2019/34897; (4) Concessão do Centro de Excelência em Pesquisa King's BHF RE/18/2/34213; (5) o Programa de Iniciativa Científica do Milênio ANID - ICN2021_004; e (6) FB210024 de concessão ANID Basal.
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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