Düşük Bolluk Proteinler saptamak için plazma veya idrar hidrojel Nanoparçacık Hasat

Özet

Several pathological biomarkers cannot be easily detected by current techniques because of their low concentration in biological fluids, the presence of degrading enzymes, and large amounts of high molecular weight proteins. Chemically functionalized hydrogel nanoparticles can harvest, preserve and concentrate low abundance proteins enabling the detection of previously undetectable biomarkers.

Özet

Roman biyomarkör keşif daha duyarlı ve özgül hastalık tespiti sağlayan çok önemli bir rol oynar. Biyolojik sıvılarda mevcut Ne yazık ki çok düşük miktardaki biyolojik göstergeler kolayca kütle spektrometrisi ya da çok düşük bir konsantrasyonda mevcut olan değişken ve çoğu zaman, albümin veya immünoglobülin gibi proteinler, yüksek miktardaki maskelendiğinden, çünkü bağışıklık ile tespit edilemez. Bait içeren poli (N-izopropil akrilamid) (Nipam) göre nanopartiküller bu fizyolojik engelleri aşmak mümkün. Bir adım olarak onlar yakalama konsantre ve vücut sıvılarından biyomarkerları korumak mümkündür. Düşük molekül ağırlıklı analitler nanopartikül çekirdeğini girip daha yüksek bir afiniteye proteini yemler etki gösteren farklı organik kimyasal boyalar tarafından yakalanır. Nanopartiküller büyüklükte birkaç emir tarafından ilgi proteinlerin konsantre edebiliyoruz. Bu konsantrasyon faktörü proteinleri içindedir böylece protein seviyesini yükseltmek için yeterlidirGeçerli Massenspektrometer, batı lekeleme ve immunoassay'lerin saptama sınırı. Nanopartiküller biyolojik sıvıların bir bolluk ile inkübe edilebilir ve albümin ve diğer yüksek molekül ağırlıklı proteinler hariç ederken, büyük ölçüde düşük molekül ağırlıklı proteinler ve peptidlerin konsantrasyonu arttırmakta edebiliyoruz. Bizim veriler, belirli bir analit konsantrasyonunun 10,000 kez amplifikasyon önceden belirlenemeyen biyolojik işaretleri tespit etmek için kütle spektrometrisi ve immün sağlayarak elde edilebileceğini göstermektedir.

Giriş

Insan genomu dizileme tamamlanmasına rağmen, önemli ilerlemeler erken evre hastalığın öngörü belirlenmesi biyomarkerlerindeki yapılmamıştır, ya da tedavi sonucu veya prognoz ¹ ile ilişkilidir. Bu ilerleme olmaması için bir nedeni olarak birçok potansiyel önemli belirteçler konvansiyonel kütle spektrometresi ve diğer biyobelirteç keşif platformlarda saptama sınırının altında bir konsantrasyonda mevcut olduğunu. Kütle spektrometrisi (MS) ve çoklu reaksiyon takip işlemi (MRM), tipik olarak, bir algılama hassasiyeti daha büyük olan 50 ng / ml olarak ise 50 pg / ml ve 10 ng / ml arasında değişen bir klinik laboratuar düşme ile ölçülen bağışıklık analitlerin çoğunluğu . Bu, özellikle bir hastalığın erken evrede pek biyomarkırlar, geleneksel MS ve MRM ² ile tespit edilemez anlamına gelir. Ayrıca bu gibi kompleks biyolojik sıvılarda albümin ve immunoglobülin gibi yüksek bolluk proteinlerin varlığı genellikle milyar kat exc ile maskeesini düşük miktardaki, düşük molekül ağırlıklı proteinler ve peptitler ^{3, 4.} bu nedenle birçok örnek hazırlık adımları kütle spektrometrisi sekanslama ve kimlik önce gerekmektedir. Bu gibi bir hazırlık aşaması ticari olarak temin edilebilen tükenme sütunlar ^5-8, yüksek miktardaki proteinlerin tükenmesi kullanmaktadır. Genellikle kovalent olmayan bir şekilde kaldırılmakta olan taşıyıcı proteinler ile ilişkili olduğundan, ne yazık ki, bu adım aday biyobelirteç verim azalmaya yol açar. Örnekler toplandığı bir zamanlar başka bir meydan aday biyomarkerların ex-vivo stabilitesi ile temsil edilmektedir. Proteinler, endojen veya eksojen proteazlar ⁹ ile degradasyona tabi tutulur. Bozulması ^10-13 protein korurken hidrojel nanopartiküller, tahlilin aralığı içinde bir düzeye farazi biyolojik işaretleyici konsantrasyonunu yükselterek bu kritik zorlukları aşmak olabilir.

Bu th dikkat etmek önemlidirLMW, kanda proteinlerin küçük sağlam proteinler ile birlikte, bu büyük proteinlerin parçalarının bir karışımı bulunmaktadır. 60 kDa'dan daha büyük bir Doku türevli proteinler pasif vasküler bazal zar boyunca kan akışına girmesine kadar büyük, ancak peptidler veya protein parçacıkları ¹⁴ kanın temsil edilebilir. Amacımız Hastalığın erken teşhisi, tedavisi için hasta tabakalaşma ve tedaviye yanıtın izlenmesinde için aday olabilir roman dolaşan biyomarkerları ölçmektir. Bizim nanopartiküller anda küçük proteinler ve peptidler yakalama ve başlangıç ​​hacmine göre 100 kat kadar onları konsantre olurken seçici, yüksek bolluk immünoglobinlerin ve albumin dışlamak için oluşturulur.

Bizim grup başarıyla proteinler ve peptidler için yüksek afinite moleküler yemler hareket edebilen küçük organik boyaların bir dizi tanımlanır. Protein boya bağlama bağlı olarak, hidrofobik ve elektrostatik etkileşimin bir kombinasyonu olduğu düşünülmektedirs. Boya üzerindeki aromatik halkalar protein yüzey ¹¹ ile hidrofobik cepleri proteinleri ile dönüşümlü olarak çalışır.

Yemler, kimyalarına bağlı olarak seçilmiş analitlerin sınıfları için özel bir çekim gücü gösterirler. Yemler proteinler veya peptidlere, örneğin albumin gibi, taşıyıcı proteinler ile rekabet eder. Düşük molekül ağırlıklı proteinler / peptidler parçacık içinde sıkışır. , Albümin ve immunoglobülin gibi yüksek molekül ağırlıklı proteinler nedeniyle hidrojel ¹¹ (Şekil 1) yer alan sınırlayıcı gözenek çünkü eleme yeteneğinin parçacık girmesini engellenir.

Hidrojel nanopartiküller amonyum persülfat ¹¹ tarafından başlatılan çöktürme polimerizasyonu ile sentezlenir. N-izopropil (Nipam), akrilik asit (AAC) ve alilamin (AA) ve çapraz bağlayıcı, N, N'-metilenbisakrilamid (BIS) eş-monomerler arasında ¹ seyreltik koşullar içinde, 6 saat boyunca 70 ° C'de reaksiyona girmesine imkan verilir1, 13. Poli yüksek protein bağlanma afinitesi (N-izopropil akrilamid-ko-akrilik asit) kovalent (amino içeren boya maddelerinin katılmasıyla, yani., Sulfonatedanthraquinonetriazine boyalar) nanopartiküllerin içine yoluyla elde (poli (Nipam-ko-AAC) nanoparticlesis Boyaların hidrofobik / hidrofilik özelliklere bağlı olarak, sulu ya da organik çözücü maddelerin içinde, bir amidasyon reaksiyonu ^11, bir anthraquinonetriazine boyanın klorür atomu ile nanopartikül amin grubuna ait ^13. nükleofilik ikamesi, boya ihtiva eden poli (Nipam oluşturmak için kullanılmaktadır CO-allilamin) ^{(AA) 11 12} nanoparçacıklar. iki aşamalı polimerizasyon işlemi vinilsülfonik asit (VSA), ^{11, 13,} bir dış kabuk içeren hidrojel nano-tanecikleri oluşturmak için kullanılır.

Hidrojel nanopartiküller, tam kan, plazma, serum, serebrospinal sıvı, ter ve idrar dahil olmak üzere çeşitli biyolojik sıvılar, uygulanabilir. Bir adım olarak, çözelti içinde, nanoparticles (birkaç dakika içinde) hızlı bir haciz ve düşük moleküler ağırlığa sahip konsantrasyonu, ^{10, 11, 13, 15-18} analitlerini gerçekleştirin. Proteinler daha sonra kullanılarak nanopartiküller yıkanır ve tespit edilir batı spektrometrisi ^{10, 11, 13, 15, 18, ​​22} kütle, ^{19-21 lekeleme, 23,} bağışıklık / ELISA ^{10, 11, 15, 18,} ​​ya da ters faz, protein mikro-dizi ^{16 24} deneyleri. Nanopartiküller, kimyasal yem ile fonksiyonalize ve bir çekirdek ya da çekirdek-kabuk mimari, yakalama sunulması ve yem / kabuk fizikokimyasal özelliklerine göre proteinlerin konsantrasyonu. Nanopartiküller dahil farklı boyaların bu nedenle boya afinitesi göre verimlilik, çözeltinin pH değeri ve yüksek miktardaki proteinlerin ¹³ rakip varlığını / yokluğunu değişen proteinlerin, farklı alt çekecektir. Bundan başka, çözeltinin hacmi ile ilgili olarak nanopartiküllerin miktarı nanopartiküller gelen protein verimi etkileyecektir. Bu yönleriHidrojel nanoparçacık hasat Yüksek miktarda protein içeren plazma numuneleri hasat proteinleri için üç farklı nanopartikül yemler kullanılarak gösterilebilir, ve tipik olarak yüksek miktarda protein içermeyen idrar örnekleri vardır. Bu protokolde, hasat ve poli (Nipam-ko-AAC), Poli (Nipam / boya) ve çekirdek-kabuk nano-tanecikleri kullanılarak plazma numuneleri, tümör nekroz faktörü alfa (TNFa) konsantre göstermektedir (Poli (Nipam-ko-VSA)) . Poli (Nipam / boya) nanopartiküller Mycobacterium tuberculosis ile enfekte bireyler taklit insan idrar örneklerinde eklendi Mycobacterium türleri antijeni, konsantre gösterilmiştir.

Protokol

İnsan plazma ve idrar George Mason Üniversitesi Kurumsal Değerlendirme Kurulu onaylanan protokollerde aşağıdaki, bilgilendirilmiş yazılı onayı ile, sağlıklı gönüllü vericilerden toplanmıştır. Bağışçılar eşit ayrı ayrı analiz edildi 25 ve 42. Numune yaş arası Kafkas kadınlar ve erkekler arasında dağıtılmış ve havuza değil.

Serum veya Plazma Örneklerinin 1. Nanoparçacık İşleme

Plazma potansiyel biyo-düşük miktarda hidrojel nanopartiküller ile, çözelti içinde yakalanır. Tanecikleri, yıkandı, santrifüj ile ayrılmış plazma kuluçkaya yatırılır, ilave edilir ve çekilen proteinleri elüte edilir. Elüsyona tâbi tutulmuş proteinler alt-kütle spektrometrisi sekanslama ve tanımlanması için azot akışı altında kurutulur.

1. Mikrosantrifüj tüp içinde 50 mM TrisHCI pH 7 (500 ul serum + 500 ul TrisHCI) 2: serumun 1 500 ul sulandırmak.
2. 500 mcL poli (Nipam / AAc) çekirdek nanop Eklemakaleler. Oda sıcaklığında 15 dakika boyunca inkübe edin.
3. Sabit açılı rotor ile donatılmış bir santrifüj içinde 10 dakika boyunca, 16,100 x g hızında 25 ° C örnek dönerler. Çıkarın ve süpernatant atın.
4. Topağa 500 ul sodyum tiyosiyanat (25 mM) eklenir. Kuvvetlice pipetleme ve birden çok kez aşağı nanopartiküller süspanse.
5. Sabit açılı rotor ile bir santrifüj içinde 10 dakika boyunca, 16,100 x g hızında 25 ° C örnek dönerler. Çıkarın ve süpernatant atın.
6. Nanopartikül pelet MiliQ suyu içinde 500 ul ilave edin. Kuvvetlice pipetleme ve birden çok kez aşağı nanopartiküller süspanse.
7. Sabit açılı rotor ile bir santrifüj içinde 10 dakika boyunca, 16,100 x g hızında 25 ° C örnek dönerler. Çıkarın ve süpernatant atın.
8. Taze elüsyon tamponu hazırlayın: temiz bir tüp içinde 300 ul amonyum hidroksite ul asetonitril 700 ekleyin. Dikkat: Amonyum hidroksit aşındırıcı olduğunu. Uygun havalandırma ile kullanın. Not: Yıkama tamponu, preparatif olmalıdırared kullanımdan hemen önce. Elüsyon tamponu tutmayın.
9. Nanopartikül pelet elüsyon tamponunun 300 ul ilave edin. Kuvvetlice pipetleme ve birden çok kez aşağı nanopartiküller süspanse. Oda sıcaklığında 15 dakika boyunca inkübe edin.
10. Sabit açılı rotor ile bir santrifüj içinde 10 dakika boyunca, 16,100 x g hızında 25 ° C örnek dönerler. Çıkarın ve temiz, etiketlenmiş bir mikrosantrifüj tüpü içinde eluatın kaydedin.
11. 1.10 - Tekrar 1.9 adımları. Bir mikrosantrifüj tüpe iki elüsyonların birleştirin.
12. 8 (Şekil 2F) ayarlanmış hava akışı ile, 42.1 ° C 'de bir azot evaporatör manifoldunun, azot akışı altında sıvı kısımlar kurutun.
13. O / N depolama için oda sıcaklığında kurutuldu eluatın saklayın, ya da uzun süreli depolama için -20 ° C, kütle spektrometresi, Western blotting, ELISA tahlilleri ya da (isteğe bağlı) öncesinde.

İdrar Örneklerinin 2. Nanoparçacık İşleme

Normal idrar az 30 mg / dl protein içerir ve1+ kandan daha az. Ancak, birçok hastalık / durumlar idrar protein ve normal kan seviyelerini değiştirebilir. Idrar örneği eklemek için nanopartiküllerin uygun hacminin belirlenmesinde yardımcı olmak için, bir idrar toplama nanopartikül önce gerçekleştirilir. İdrar biyolojik göstergeler idrar hacmi nanopartiküllerin oranını optimize gerektirebilir son derece düşük konsantrasyonlarda mevcut olabilir. Bu işlem alt Western blot analizi için idrar örnekleri nanopartikül hasat tarif etmektedir.

1. Temiz, kuru bir plastik kap içinde idrar örnekleri toplamak. Bir 22 ml minimum hacim gereklidir. Analiz için hazır olana kadar mağazası idrar -80 ° C'de numune.
2. Oda sıcaklığında ya da 4 ° de CO / N, dondurulmuş idrar çözülme. , Bir girdaplı karıştırıcı ile kısa bir süre karıştırılır. 50 ml'lik konik tabanlı polipropilen tüp içine idrar en az 22 ml dökün.
3. 15 dakika boyunca 3700 x g'de dışarı salınan bir rotora sahip bir santrifüj içinde idrar dönerler. Temiz bir 50 ml'lik konik tabanlı polypr içine pelet bozmadan, idrar süzünopylene tüpü. Pelet atın.
4. Bir multi-analit "idrar testi" reaktif şerit kullanarak idrar tahlili gerçekleştirin. Not: Doğrudan güneş ışığı ve nem ^{17, 18} uzak bir sıkıca kapalı bir kapta reaktif şeritler saklayın.
   1. Temiz, kuru bir kağıt havlu üzerine reaktif şerit, yüz-up, yatıyordu.
   2. Adım 2.3 hazırlanan idrar 1 ml aspire bir pipet kullanın.
   3. 2 dakika için bir zamanlayıcı ayarlayın ama başlamayın. Reaktif şerit her test pad üzerinde idrar 2 damla - Çabuk 1 dağıtın. Hemen sayacını başlatmak. Not: idrar konteyner doğrudan reaktif şerit batırmayın. Ayıraç şerit boya / kimyasal göstergeler potansiyel idrar kabına ayıraç şeridinin dışına yapışabilen.
   4. Reaktif şerit konteyner üzerindeki zamanda, karşılık gelen renk kodlu indica tek tek reaktif şeritlerin renk karşılaştırılarak bir ayıraç çubuğu üzerindeki çeşitli analitler için niteliksel neticelerin kayıtReaktif kabın üzerine monte edin. Tipik normal idrar Sonuçlar şu şekildedir: (normal veya negatif), kan, protein, lökosit, nitrit, glukoz, keton, bilirubin ve Ürobilinojen tayini için; İdrar pH (5,5-7,0); özgül ağırlığı (1,001-1,020). Not: Bir idrar örneğinde yüksek protein seviyelerinin nanopartiküller bağlanma alanlarında ilgilenilen protein ile rekabet edebilir. Nanopartiküller protein hasat üst düzeye çıkarmak için, nanopartikül hacim / hacim oranında idrar yüksek bolluk proteinlerinden ya da sınır rekabete ayarlanabilir ya da çok düşük konsantrasyonlarda mevcut proteinlerin toplanması için optimize edilebilir. Idrar protein değeri 1+ veya daha fazla ise, aşağıdaki adımda 2,5 nanopartiküllerinin 2x hacimlerini ekleyin. Ilgilenilen analit çok düşük bir miktarda bir protein ise, 2 ml (Şekil 3) 'e kadar nanopartiküllerin hacmini artırmak için gerekli olabilir.
5. Aktarım, temiz 50 ml'lik konik tabanlı polipropilen tüp içine adım 2.3 açıklık idrar 20 mi. Yapamazidrar tüpün alt olabilecek herhangi bir artık / pelet rahatsız. 20 ml idrar numunesi ile nanopartiküller 200 ul ilave edin. , Bir girdaplı karıştırıcı ile kısa bir süre karıştırılır. Idrar protein değeri 1+ veya daha fazla ise, 20 mi idrara nanopartiküllerinin 400 ul ekleyin: edin.
6. Sallanan / karıştırma olmadan, oda sıcaklığında 30 dakika için idrar / nanopartikül karışımı inkübe edin.
7. 10 dakika boyunca 3700 x g'de dışarı salınan bir rotor ile donatılmış bir santrifüjde idrar / nanoparçacık süspansiyon dönerler. Not: pelet görünür ardından santrifüj değilse, ek bir 2 için örnekler dönmeye -, 7 dakika.
8. Çıkarın ve süpernatant atın. Nanopartikül pelet 500 ul, MilliQ su ekleyin.
9. Kuvvetlice pipetleme ve birden çok kez aşağı nanopartiküller süspanse. Temiz bir 1.5 ml mikrosantrifüj tüpüne nanopartikül çözeltisini.
10. 10 dakika boyunca 16.100 x g'de sabit açılı rotor ile donatılmış bir santrifüj içinde nano-tanecikleri dönerler. Not: pelet görünür vr değilse7 dakika - santrifüj iyice silinir, ek bir 2 için örnekler döndürün.
11. Çıkarın ve süpernatant atın.
12. Tekrar nanopartiküller yıkamak için 200 ul 18 MilliQ su ile (iki kez) 2.8 ve 2.11 adımları.
13. Taze elüsyon tamponu hazırlayın: temiz bir tüp içinde 30 ul amonyum hidroksite ul asetonitril 970 ekleyin. Dikkat: Amonyum hidroksit aşındırıcı olduğunu. Uygun havalandırma ile kullanın. Not: Yıkama tamponu, kullanılmadan hemen önce hazırlanmış olmalıdır. Elüsyon tamponu tutmayın.
14. Nanopartikül pelet 20 ul yıkama tamponu ilave edin. Kuvvetlice pipetleme ve birden çok kez aşağı nanopartiküller süspanse. Oda sıcaklığında 15 dakika boyunca inkübe edin.
15. 10 dakika boyunca 16.100 x g'de nanopartikül örnekleri dönerler. Çıkarın ve temiz bir 1.5 ml mikrosantrifüj tüpü süpernatant kaydedin. Nanoparçacık pelet bozmayan. Biohazard çöpe pelet atın.
16. Bir kimyasal davlumbaz rafa örnekleri yerleştirin. Kapaklar açın ve inc30 dakika boyunca oda sıcaklığında Ubate. (- 1, 2 saat) Alternatif olarak, kuru hale gelinceye kadar 40 ° C'de azot akışı altında örnekleri yer.
17. Örnekler 15 ul Tris-glisin SDS numune tamponu (2x) ekleyin. Isı 100 ° C'de Açık veya boru içinde kalan hacme kadar kapakları 5 dakika boyunca kuru ısı bloğu, ° C olarak en fazla 20 ul'dir. Not: Bir kaynar su banyosu kullanmayın. Su banyosu nem tampon buharlaşmasını engeller.
18. Borular üzerinde kapağını yerleştirin. Isı bloğu tüpleri çıkarın. Numune -80 ° C'de saklandı veya alt Western blot analizi için hemen kullanılabilir.

Sonuçlar

Hidrojel Nanoparçacık Boyutu ve tekdüzeliği

Poli (Nipam-AAC) partikülleri ile kümeler içinde son derece yüksek verim ve üretkenlik ile üretilmiştir. Parçacıklar yakalama, depolama ve proteinlerin elüsyonu (en az 48 saat) için gerekli olan süre boyunca, oda sıcaklığında çok iyi bir stabiliteye sahip kolloidal ve nano partiküler çökeltme (Şekil 1) ¹¹ gözlenmemiştir. Koloidal stabilite nanopartiküller ile hızlı bir şeki...

Tartışmalar

Klinik Uygunluk

Bir serum ya da plazma numunesi, bir bütün olarak organizmanın durumu ile ilgili bilgiler için zengin bir kaynak temin edebilmektedir proteinler ve peptidler, dolaşımdaki düşük bol miktarda içerir düşünülmektedir. Serum proteomik söze rağmen, klinik yarar ^{10, 11, 16, 25} biyomarkır keşif ve çeviri thwarting üç temel ve ciddi fizyolojik engeller vardır.

1. Önemli teşhis biyomarkerler kanda çok dü...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
hydrogel nanoparticles	Ceres Nanoscience	CS003	NanoTrap ESP particles
18 MΩ-cm water			Type 1 reagent grade water
Tris HCl, 50mM pH7.0	VWR	IC816116	50mM, pH 7
Acetonitrile	BDH	BDH1103-4LP	available from VWR
Ammonium Hydroxide NH4OH	BDH	BDH3014	available from VWR, assayed at 28-30% NH3
sodium thiocyanate 25mM	Acros Organics	419675000	for serum/plasma samples
Multi-analyte Urine Reagent Strips	Siemens	2161	for urine samples
Tris-Glycine SDS Sample Buffer (2X)	Life Technologies	LC2676	use at room temperature to prevent SDS from precipitating
Dry bath incubator (100 oC) with heating block	Barnstead	11-715-125DQ	do not substitute a boiling water bath
Nitrogen evaporator manifold	Organomation Associates	Microvap118	for serum/plasma samples
Centrifuge, swing-out rotor	Sorvall	Legend series	50ml tube capacity, rcf 3700 x g
Centrifuge, fixed angle rotor	Eppendorf	5424	1.7ml microcentrifuge capacity, rcf 16,000 x g
50ml conical centrifuge tubes	Fisher Scientific	14-432-22	with screw caps for urine samples
1.5ml microcentrifuge tubes	Eppendorf	22363204
Disposable plastic transfer pipettes	Fisher Scientific	13-711-7M	at least 1ml capacity
Vortex mixer	Fisher Scientific	50-949-755
Timer	Fisher Scientific	S04782	seconds/minutes