In diesem Artikel beschreiben wir Methoden zur Charakterisierung der Fähigkeit eines Enzyms, seine Funktion beizubehalten, wenn es bei 37 °C in menschlichem Serum inkubiert wird, eine pharmakologische Eigenschaft, die als Serumstabilität bezeichnet wird. Diese Fähigkeit kann ein Schlüsselfaktor bei der Vorhersage des pharmakokinetischen Profils eines Enzyms und seiner Eignung für den therapeutischen Einsatz sein.
Das Konzept der Enzymstabilität wird in der Regel verwendet, um sich auf die Thermostabilität eines Enzyms zu beziehen – seine Fähigkeit, Struktur und Aktivität bei steigender Temperatur beizubehalten. Für ein therapeutisches Enzym können auch andere Stabilitätsmaße entscheidend sein, insbesondere seine Fähigkeit, die Funktion im menschlichen Serum bei 37 °C beizubehalten, was wir als Serumstabilität bezeichnen. In dieser Arbeit beschreiben wir einen in vitro Assay zur Beurteilung der Serumstabilität des Wildtyp-Enzyms Homo sapiens Adenosin-Deaminase I (HsADA1) unter Verwendung eines absorptionsbasierten Mikroplattenverfahrens. Insbesondere beschreibt dieses Manuskript die Herstellung von Puffern und Reagenzien, ein Verfahren zur Anordnung der Koinkubation von HsADA1 im Serum, ein Verfahren zur Analyse der Testproben unter Verwendung eines Mikroplatten-Readers und eine begleitende Analyse zur Bestimmung des Anteils der Aktivität, den ein HsADA1-Enzym im Serum als Funktion der Zeit beibehält. Wir diskutieren ferner Überlegungen zur Anpassung dieses Protokolls an andere Enzyme, indem wir ein Beispiel eines Homo sapiens-Kynureninase-Enzyms verwenden, um die Anpassung des Protokolls an andere Enzyme zu unterstützen, bei denen die Serumstabilität von Interesse ist.
Die folgende Methode ermöglicht es einem Anwender, die Fähigkeit eines Enzyms, seine Aktivität aufrechtzuerhalten, quantitativ zu beurteilen, wenn es Bedingungen ausgesetzt wird, die dem entsprechen, was es nach einer intravenösen Injektion vorfinden wird. Die In-vitro-Methode ahmt solche in vivo-Bedingungen nach und besteht aus der Inkubation des Enzyms in gepooltem Humanserum bei 37 °C und zeitlichen Analysen der Beibehaltung der Enzymaktivität. Wir bezeichnen die Fähigkeit eines Enzyms, die Aktivität unter diesen Bedingungen aufrechtzuerhalten, als seine Serumstabilität, und die Analysemethode für die Enzymaktivität nutzt Unterschiede in der Absorption zwischen dem Substrat eines Enzyms und dem resultierenden Produkt. Das Konzept der Serumstabilität ist nicht nur enzymspezifisch, sondern wurde auch auf mehrere andere Behandlungsmodalitäten angewendet. So wurde beispielsweise die Serumstabilität von RNA-Aptameren, die auf COVID-Spike-Proteine abzielen, bereits durch die Überwachung ihres Abbaus nach der Inkubation mit fötalem Kälberserum1 bewertet. Antibakterielle Peptide wurden auch auf ihre Fähigkeit untersucht, das Bakterienwachstum nach der Inkubation mit gepooltem humanem Serumzu unterdrücken 2.
HsADA1 ist ein Enzym, das die Umwandlung von Adenosin oder 2-Desoxyadenosin in Inosin bzw. 2-Desoxyinosin katalysiert3. Adenosin hat einen Absorptionspeak von 260 nm, während Inosin bei 250 nm am stärksten absorbiertwird 4. Diese Verschiebung der Absorptionsspitzen kann auf einem Mikroplatten-Reader durch eine Abnahme der Absorptionsintensität bei 260 nm nachgewiesen werden, wenn HsADA1 zu Adenosin hinzugefügt wird. Das Enzym HsADA1 hat wichtige Auswirkungen auf den menschlichen Körper, und sein Mangel verursacht einen schweren kombinierten Immundefekt (ADA-SCID)5. Das Rinderhomolog von HsADA1, BtADA1, kann als Enzymersatztherapeutikum für die Behandlung von ADA-SCID verwendet werden, und wir haben bereits gezeigt, dass Wildtyp-HsADA1 seine Aktivität verliert, wenn es mit gepooltem humanem Serum inkubiert wird, was seine Verwendung als Therapeutikum möglicherweise behindert6. Daher haben wir das Wildtyp-Enzym HsADA1 ausgewählt, um ein Verfahren zur Bestimmung der Serumstabilität eines Enzyms zu demonstrieren. Eine detaillierte Aufreinigungsmethode für HsADA1 wurde bereits beschrieben6.
Im folgenden Protokoll (wie in Abbildung 1 beschrieben) zeigen wir, wie Wildtyp-HsADA1 in gepooltem humanem Serum bei 37 °C co-inkubiert wird. Während dieser Zeit werden zu definierten Zeitpunkten Testproben entnommen und für die spätere Analyse schockgefroren. Sobald alle Proben entnommen wurden, wird ein Mikrotiterplatten-Assay durchgeführt, bei dem jede Probe mit dem Substrat kombiniert wird, wobei die resultierende Absorptionsabnahme eine Korrelation für die erhaltene Aktivität des Enzyms darstellt. Repräsentative Ergebnisse, die die Serumstabilität von HsADA1 veranschaulichen, werden gezeigt, und da diese Metrik für die Bestimmung des potenziellen therapeutischen Wertes anderer Enzyme relevant sein kann, diskutieren wir auch Überlegungen zur Anpassung dieses Protokolls an ein manipuliertes Homo sapiens-Kynureninase-Enzym (HsKYNase) und alle Enzyme im Allgemeinen. HsKYNase ist ein Enzym, das am Stoffwechsel von Tryptophan beteiligt ist und in der Lage ist, die Tryptophan-Nebenprodukte Kynurenin und Hydroxy-Kynurenin (OH-Kyn) zu Anthranilsäure bzw. Hydroxy-Anthranilsäure (OH-AA) abzubauen. Die enzymvermittelte Modulation des Tryptophanstoffwechsels kann von therapeutischer Relevanz sein7.
Dieses Protokoll verwendet die Absorptionsänderung, wenn das Substrat in das Produkt umgewandelt wird, um die Aktivität eines Enzyms zu messen. Daher müssen das Substrat und das Produkt unterschiedliche spektrale Profile aufweisen. Dies ist der Fall bei Adenosin und Inosin, die beide unterschiedliche spektrale Profile und Extinktionskoeffizienten zwischen 260-265 nmaufweisen 6,8,12,13.</…
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health [1DP2CA280622-01] unterstützt und von Biolocity finanziert. Wir danken Dr. Maria Jennings und Andrea Fox für die Bereitstellung der HsADA1- und HsKYNase-Expressionsvektoren.
Adenosine | Sigma Aldrich | A9251-25G | 25 g |
BioTek Synergy HT Microplate Reader | |||
Eppendorf LoBind Microcentrifuge Tubes: Protein | Fisher Scientific | 13-698-795 | 2 mL |
Glycerol | Fisher Scientific | G33-4 | 4 L |
HsKYNase66-W102H-T333N | In-house | ||
Human Serum, Pooled | MP Biomedicals | 92931149 | 100 mL |
Hydroxy-kynurenine | Cayman Chemicals | 27778 | |
Inosine | TCI | I0037 | 25 g |
PBS, 1x pH 7.4+/- 0.1 | Corning | 21-040-CM | |
Pyridoxal 5-phosphate monohydrate, 99% | Thermo Scientifc | 228170010 | 1 g |
UV-STAR MICROPLATE, 96 WELL, COC, F-BOTTOM | Greiner Bio | 655801 | |
Wildtype Human Adenosine Deaminase 1 | In-house |