Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Здесь мы приводим подробные протоколы сайт-специфичного мечения белков цитотоксическими препаратами с использованием малеимидом-тиоловой реакции и сортазного А-опосредованного лигирования.
В настоящее время рак является второй по распространенности причиной смерти во всем мире. Отличительной чертой раковых клеток является наличие на их поверхности специфических маркерных белков, таких как рецепторы фактора роста. Эта особенность позволяет разрабатывать высокоселективные терапевтические средства, белковые биоконъюгаты, состоящие из целевых белков (антител или рецепторных лигандов), соединенных с высокоцитотоксическими препаратами специфическим линкером. Благодаря очень высокому сродству и селективности белков-мишеней, биоконъюгаты распознают маркерные белки на поверхности раковых клеток и используют рецептор-опосредованный эндоцитоз для достижения внутренней части клетки. Внутриклеточная везикулярная транспортная система в конечном итоге доставляет биоконъюгаты к лизосомам, где протеолиз отделяет свободные цитотоксические препараты от белкового ядра биоконъюгатов, вызывая лекарственно-зависимую гибель раковых клеток. В настоящее время существует несколько белковых биоконъюгатов, одобренных для лечения рака, и большое количество из них находится в стадии разработки или клинических испытаний.
Одной из основных проблем при создании биоконъюгатов является сайт-специфическое присоединение цитотоксического препарата к белку-мишени. В последние годы был достигнут огромный прогресс в разработке химических и ферментативных стратегий модификации белка цитотоксическими препаратами. Здесь мы представляем подробные протоколы site-specific включения цитотоксических боеголовок в белки-мишени с использованием химического метода с использованием химии малеимида-тиола и ферментативного подхода, основанного на опосредованном сортазой А-опосредованном лигировании. В качестве примера белков-мишеней мы используем сконструированный вариант фактора роста фибробластов 2 и фрагментируемую кристаллизуемую область иммуноглобулина человека G и монометилауристатин Е и метотрексат. Все описанные стратегии позволяют с высокой эффективностью получать биологически активные цитотоксические конъюгаты определенной молекулярной архитектуры с потенциалом для селективного лечения различных видов рака.
Десятилетия научных усилий привели к огромному прогрессу в наших знаниях о молекулярных механизмах, управляющих развитием и прогрессированием рака. В то же время терапевтические возможности все еще в значительной степени ограничены из-за побочных эффектов препаратов, вызванных их недостаточной селективностью, большой вариабельностью опухолей и лекарственной устойчивостью, развивающейся после длительного лечения. Таргетная противораковая терапия в последние годы привлекает внимание как новые и весьма перспективные подходы к лечению различных опухолей. Таргетная терапия основана на сложных системах доставки лекарств, которые точно доставляют цитотоксическую полезную нагрузку к раковым клеткам и щадят здоровые. К ним относятся в основном различные наночастицы, липосомы и белковые носители лекарств.
Раковые клетки часто подвергают воздействию повышенного уровня специфических маркерных белков на своей поверхности. Конъюгаты лекарственных препаратов на основе антител (ADC) являются новыми противораковыми препаратами на основе белков, которые сочетают в одной молекуле чрезвычайную специфичность моноклональных антител и высокую цитотоксическую активность лекарственных средств. После связывания с поверхностью раковой клетки, ADC использует рецептор-опосредованный эндоцитоз для проникновения в клетку. Впоследствии АЦП транспортируются через эндосомальные компартменты в лизосомы, где протеазы разрушают АЦП и высвобождают активные цитотоксические препараты. В настоящее время в США одобрено восемь ADC для лечения различных опухолей, включая тройной негативный рак молочной железы, HER2-положительный рак молочной железы, уротелиальный рак, диффузную В-крупноклеточную лимфому, гематологическое злокачественное новообразование, лимфому Ходжкина и острый миелоидный лейкоз. Большое количество АЦП также либо находятся в стадии разработки, либо ожидают утверждения1. Следует отметить, что подходы к белковой инженерии привели к разработке разнообразной альтернативы моноклональным антителам белковых скаффолдов и их цитотоксических конъюгатов. К ним относятся различные фрагменты антител 2,3, DARPins 4,5, кноттины 6,7, центирины8, аффибоды 9,10 или модифицированные рецепторные лиганды11,12.
Существует несколько критических требований, которые должны быть удовлетворены успешным цитотоксическим конъюгатом на основе белка, а именно: стабильность конъюгата, чрезвычайная специфичность, высокая аффинность конъюгата к маркеру, специфичному для рака, быстрая интернализация конъюгата внутрь раковой клетки, его эффективный транспорт к лизосомам и эффективное внутриклеточное высвобождение активной полезной нагрузки. Еще одной важной особенностью является гомогенность конъюгатов, которая во многом зависит от применяемой стратегии прикрепления полезной нагрузки к белкам-мишеням. Существует несколько доступных методов сайт-специфической конъюгации белков с цитотоксическими препаратами, таких как модификация цистеина или остатков лизина боковой цепи белка, присоединение препарата к неестественным аминокислотам, включенным в белки-мишени, или ферментативные модификации белков-мишеней (например, с помощью трансглутаминазы, гликозилтрансферазы, фермента, генерирующего формилглин, сортазы А). В большинстве случаев сайт-специфичные методы конъюгации требуют модификации молекул-мишеней (например, с помощью цистеиновой инженерии или введения коротких пептидных меток), но, в свою очередь, приводят к эффективному получению гомогенного конъюгата, представляющего интерес.
Здесь мы предоставляем протоколы для высокоэффективной сайт-специфической конъюгации белков-мишеней с цитотоксическими препаратами. В качестве образцовых белков мы использовали две разные молекулы: кристаллизуемый фрагмент (Fc) человеческого IgG и модифицированный вариант фактора роста фибробластов человека 2 (FGF2). Fc-фрагмент является неотъемлемой частью типичных АЦП, но он также присутствует в других типах конъюгатов, таких как цитотоксические пептитела или конъюгаты фрагментов антител. FGF2 является природным лигандом рецептора фактора роста фибробластов (FGFR), который был успешно сконструирован для получения селективного цитотоксического конъюгата, нацеленного на раковые клетки, чрезмерно продуцирующие FGFR.
Мы представляем две различные стратегии конъюгации, позволяющие сайт-специфичное включение цитотоксических препаратов. Во-первых, представлен протокол конъюгации с цистеиновыми боковыми цепями Fc-фрагмента с помощью химии малеимида-тиола, основанный на протоколе Хермансона13 (рис. 1A, B). В этом протоколе две дисульфидные связи первоначально восстанавливаются трис(2-карбоксиэтил)фосфином (TCEP), и полученные свободные тиоловые группы подвергаются конъюгации с монометилауристатином Е (MMAE) через химию малеимида-тиола (рис. 1B). Благодаря взаимодействию между постоянными доменами тяжелой цепи 2 и 3 (CH2 и CH3) димерная структура сцепленного с лекарством Fc сохраняется. Во-вторых, представлена стратегия создания конъюгата FGF2 с двойной боеголовкой, которая сочетает в себе цистеиновую инженерию и опосредованное А-опосредованное лигирование сортазы А для включения двух различных препаратов в FGF2 сайт-специфичным образом (рис. 1A, C). Используется безцистеиновый вариант FGF2, несущий дополнительный N-концевой KCKSGG с одиночным открытым остатком цистеина и С-концевой LPETGG короткой пептидной меткой12. Реакция малеимида-тиола позволяет конъюгировать MMAE с цистеином в линкере KCKSSG, разработанном нашей группой 14,15. Сортаза А-зависимый шаг (на основе Chen et al.)16 опосредует лигирование связанного с метотрексатом (MTX) пептида тетраглицина GGGG-MTX в С-концевую последовательность LPETGG, образуя два типа конъюгатов с одной боеголовкой (рисунок 1C). Сортаза А представляет собой цистеиновую протеазу, которая катализирует реакцию транспептидации между мотивами LPETGG и GGGG. Фермент связывается с мотивом LPETGG на С-конце белка, затем амидная связь между треонином и глицином гидролизуется с образованием комплекса фермент-субстрат. Следующим этапом является аминолиз тиоэфирной фермент-субстратной связи, где донором первичной аминогруппы является глициновый остаток мотива тетраглицина17. Комбинация этих двух подходов позволяет создавать специфичные для сайта сопряжения двойной боеголовки FGF2 (рисунок 1C). В принципе, предоставленные протоколы конъюгации могут быть успешно применены к любому сконструированному белку-мишени, представляющему интерес, для получения селективных цитотоксических конъюгатов. Кроме того, универсальность этого подхода делает его пригодным для многих других целей белок-белкового и белково-пептидного лигирования, а также для присоединения липидов, полимеров, нуклеиновых кислот и флуорофоров к белкам с доступной сульфгидрильной группой (или полученными путем восстановления нативных дисульфидных связей) и/или с введенной малой пептидной меткой.
1. Конъюгация Fc-домена с MMAE
ПРИМЕЧАНИЕ: Перед сайт-специфичными конъюгациями подготовьте ключевые реагенты: высокочистый белок, представляющий интерес (в данном случае фрагмент Fc и сконструированный вариант FGF2, в качестве отправной точки 1-5 мг рекомбинантного белка, приготовленный в соответствии с Соколовской-Вединой18), малеимидокапроил-Val-Cit-p-аминобензиловый спирт (PABC)-монометилауристатин E (MMAE) (ОСТОРОЖНО, высокоцитотоксический агент, обращайтесь осторожно), трис(2-карбоксиэтил)фосфин (TCEP) и сортаза A16. Метотрексат, связанный с пептидом тетраглицина (GGGG-MTX) (ОСТОРОЖНО, МТХ является высокоцитотоксическим агентом, обращайтесь с ним осторожно) может быть либо синтезирован на твердой несущей фазе в соответствии с методом синтеза твердофазного пептида (SPPS) в стратегии Fmoc19, либо получен из коммерческих источников.
2. Сопряжение сконструированного FGF2
Представленные протоколы описывают две различные стратегии конъюгации различных цитотоксических препаратов в представляющие интерес белки. Кроме того, показана комбинация индивидуальных стратегий, которая позволяет генерировать цитотоксические конъюгаты с двой?...
В связи с высоким интересом к разработке селективных терапевтических средств против различных типов рака существует острая потребность в стратегиях, позволяющих сайт-специфичное прикрепление отдельных грузов к белкам-мишеням. Сайт-специфичная модификация белков-м...
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана First TEAM и программами реинтеграции Фонда польской науки (POIR.04.04.00-00-43B2/17-00; POIR.04.04.00-00-5E53/18-00), софинансируемый Европейским Союзом в рамках Европейского фонда регионального развития, присужденный L.O и A.S. M.Z работа была поддержана OPUS (2018/31/B/NZ3/01656) и Sonata Bis (2015/18/E/NZ3/00501) от Национального научного центра. Работа A.S.W была поддержана грантом Miniatura от Национального научного центра (2019/03/X/NZ1/01439).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CM-Sepharose column | Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO, USA | CCF100 | |
Heparin Sepharose column | GE Healthcare, Chicago, IL, USA | GE17-0407-01 | |
HiTrap Desalting column | GE Healthcare, Chicago, IL, USA | GE17-1408-01 | |
HiTrap MabSelect SuRe column | GE Healthcare, Chicago, IL, USA | GE11-0034-93 | |
maleimidocaproyl-Val-Cit-PABC-monomethyl auristatin E (MMAE) | MedChemExpress, Monmouth Junction, NJ, USA | HY-100374 | Toxic |
N,N-Dimethylacetamide (DMAc) | Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO, USA | 185884 | |
Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP) | Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO, USA | 646547 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены