L’etichettatura isotopica precursore combinata e il tagging isobarico (cPILOT) è una strategia avanzata di multiplexing del campione in grado di aumentare il numero di campioni che possono essere analizzati contemporaneamente ai tag isobarici disponibili. L’incorporazione di una piattaforma robotica ha notevolmente aumentato la produttività sperimentale, la riproducibilità e l’accuratezza quantitativa.
Abbiamo introdotto un flusso di lavoro di proteomica quantitativa ad alta produttività, etichettatura isotopica precursore combinata e tagging isobarico (cPILOT) in grado di multiplexare fino a 22 o 24 campioni con tag di massa tandem o tag isobarici N,N-dimetil leucine isobarici, rispettivamente, in un singolo esperimento. Questo multiplexing del campione migliorato riduce notevolmente i tempi di acquisizione della spettrometria di massa e aumenta l’utilità dei costosi reagenti isobarici commerciali. Tuttavia, il processo manuale di gestione dei campioni e le fasi di pipettazione nella strategia possono richiedere molto lavoro, richiedere molto tempo e introdurre la perdita di campioni e l’errore quantitativo. Queste limitazioni possono essere superate attraverso l’incorporazione dell’automazione. Qui abbiamo trasferito il protocollo cPILOT manuale a un dispositivo di movimentazione automatica dei liquidi in grado di preparare grandi numeri di campione (cioè 96 campioni) in parallelo. Nel complesso, l’automazione aumenta la fattibilità e la riproducibilità di cPILOT e consente un ampio utilizzo da parte di altri ricercatori con dispositivi di automazione comparabili.
La proteomica basata sulla spettrometria di massa (SM) è uno strumento di ricerca indispensabile per identificare biomarcatori specifici della malattia, comprendere la progressione della malattia e creare lead per lo sviluppo terapeutico. Questo può essere ottenuto da una serie di campioni clinici correlati alla malattia come siero del sangue / plasma, fluidi prossimali e tessuti1,2. La scoperta e la convalida del biomarcatore proteomica hanno recentemente guadagnato una considerazione significativa a causa della potenza delle strategie di multiplexing delcampione 3,4. Il multiplexing del campione è una tecnica che consente il confronto simultaneo e la quantificazione di due o più condizioni del campione all’interno di una singola iniezione MS5,6. Il multiplexing del campione si ottiene codificando peptidi o proteine da più campioni con tag chimici, enzimatici o metabolici e ottenendo informazioni sulla SM da tutti i campioni in un singolo esperimento MS o MS / MS. Tra i tag isobarici disponibili ci sono reagenti di tagging isobarico (iTRAQ), tag di massa tandem commerciali (TMT) e reagenti isobarici sintetizzati internamente N,N-dimetil leucina (DiLeu) con capacità fino a 16-plex7 e 21-plex8, rispettivamente.
L’etichettatura isotopica precursore combinata e il tagging isobarico (cPILOT) sono una tecnologia avanzata di multiplexing del campione. cPILOT combina l’etichettatura isotopica del peptide N-termini con isotopi leggeri [−(CH3)2] e pesanti [−(13C2H3)2] a basso pH (∼2.5), che mantiene disponibile il residuo di lisina per la successiva etichettatura isobarica ad alto pH (8,5) utilizzando TMT, DiLeu, o tag iTRAQ3,9,10,11,12,13,14. Lo schema di doppia etichettatura della strategia cPILOT è descritto nella Figura 1 supplementare con due campioni che utilizzano un peptide di esempio. L’accuratezza e la precisione della quantificazione basata su TMT a livello ms2 possono essere compromesse a causa della presenza di ioni co-isolati e co-frammentati contaminanti definiti come effetto di interferenza15. Questa limitazione nei rapporti di ioni reporter imprecisi può essere superata con l’aiuto di spettrometri di massa Orbitrap tribridi. Ad esempio, l’effetto di interferenza può essere superato isolando un picco in una coppia dimetilata al livello MS1 nello spettrometro di massa, sottosottenendo il picco leggero o pesante alla frammentazione MS2 nella trappola ionica lineare e quindi sottosottenendo il frammento MS2 più intenso per HCD-MS3 per ottenere informazioni quantitative. Al fine di aumentare le possibilità di selezionare i peptidi senza ammine di lisina disponibili per generare ioni reporter, è possibile utilizzare anche un’acquisizione selettiva di MS3 basata sul frammento y-1 ed è un approccio che può comportare una maggiore percentuale di peptidi quantificabili con cPILOT9. La combinazione di etichettatura leggera e pesante aumenta le capacità di multiplexing del campione di un fattore 2 volte superiore a quello ottenuto con i singoli tag isobarici. Recentemente abbiamo utilizzato cPILOT per combinare fino a 24 campioni in un unico esperimento con reagenti DiLeu16. Inoltre cPILOT è stato utilizzato per studiare le modifiche ossidativi post-traslatori14 tra cui nitrazione proteica17, altri proteomi globali9, e ha dimostrato applicazioni su più campioni di tessuto in un topo del morbo di Alzheimermodello 11.
La robusta preparazione del campione è un passaggio critico in un esperimento cPILOT e può richiedere molto tempo, laboriosa ed estesa. Il multiplexing del campione migliorato richiede un’ampia pipettazione e personale di laboratorio altamente qualificato, e ci sono diversi fattori che possono influenzare pesantemente la riproducibilità dell’esperimento. Ad esempio, è necessaria un’attenta manipolazione dei campioni per garantire tempi di reazione simili per tutti i campioni e per mantenere un pH tampone appropriato per campioni dimetilati leggeri e pesanti. Inoltre, la preparazione manuale da decine a centinaia di campioni può introdurre un elevato errore sperimentale. Pertanto, per ridurre la variabilità della preparazione del campione, migliorare l’accuratezza quantitativa e aumentare la produttività sperimentale, abbiamo sviluppato un flusso di lavoro cPILOT automatizzato. L’automazione si ottiene utilizzando un dispositivo robotico di movimentazione dei liquidi in grado di completare molti aspetti del flusso di lavoro (Figura 1). La preparazione del campione dalla quantificazione delle proteine all’etichettatura peptidica è stata eseguita su un gestore liquido automatizzato. Il gestore automatico del liquido è integrato con un apparato a pressione positiva (PPA) per lo scambio tampone tra le piastre di estrazione in fase solida (SPE), lo shaker orbitale e un dispositivo di riscaldamento / raffreddamento. La piattaforma robotica contiene 28 posizioni di coperta per ospitare piastre e buffer. Ci sono due baccelli con pinza per trasferire le piastre all’interno delle posizioni del ponte: una testa di pipettazione a volume fisso a 96 canali (5-1100 μL) e sonde a volume variabile a 8 canali (1-1000 μL). La piattaforma robotica è controllata utilizzando un software. L’utente deve essere addestrato professionalmente prima di utilizzare il gestore liquido robotico. Il presente studio si concentra sull’automazione del flusso di lavoro cPILOT manuale, che può essere laborioso per l’elaborazione di più di 12 campioni in un singolo batch. Al fine di aumentare la velocità effettiva dell’approccio cPILOT11, abbiamo trasferito il protocollo cPILOT a un gestore di liquidi robotici per elaborare più di 10 campioni in parallelo. L’automazione consente anche reazioni simili per ogni campione in parallelo durante varie fasi del processo di preparazione del campione, che ha richiesto agli utenti altamente qualificati di ottenere durante il cPILOT manuale. Questo protocollo si concentra sull’implementazione del dispositivo di movimentazione automatica dei liquidi per eseguire cPILOT. Il presente studio descrive il protocollo per l’utilizzo di questo sistema automatizzato e ne dimostra le prestazioni utilizzando un’analisi “proof-of-concept” a 22 plex degli omogeneati epatici del topo.
cPILOT è una strategia di multiplexing avanzata in grado di analizzare fino a 24 campioni in un singolo esperimento. La capacità di multiplexing dipende dal numero di combinazioni di tagging isotopico e isobarico disponibili. L’introduzione del TMTpro7, in grado di contrassegnare 16 campioni in un singolo esperimento, può spingere i limiti di cPILOT a 32-plex. cPILOT è costituito da più passaggi di pipettazione e richiede un’ampia cura e abilità dell’utente per eseguire la preparazione del campione. Anche con un utente esperto, gli errori manuali sono inevitabili, il che invita l’uso di piattaforme robotiche per elaborare campioni nella strategia cPILOT. Poiché cPILOT utilizza l’etichettatura dipendente dal pH dei peptidi, il pH deve essere mantenuto per la luce e il pesante set di campioni dimetilati. Il pH leggermente acido-basico può provocare la dimetilazione dei residui di N-termini e lisina. Un vantaggio di cPILOT è che richiede solo la metà dei tag isobarici poiché il peptide N-termini è occupato con i gruppi dimetil. Ciò offre un maggior numero di campioni da etichettare a metà del costo. La gestione di numeri di campione più grandi richiede che i tempi di esposizione dei reagenti siano simili per il primo e l’ultimo campione di un lotto. Un distributore di pipette in grado di ospitare fino a 32 campioni in parallelo può essere raggiunto al meglio con l’uso di dispositivi robotici di movimentazione dei liquidi.
Per elaborare più campioni tramite cPILOT, il flusso di lavoro manuale è stato modificato per incorporare l’automazione. Il gestore liquido robotico utilizzato in questo studio ha due pod con capacità di pipettazione a 96 canali e a 8 canali, con una pinza per posizionare le piastre nelle 28 posizioni del ponte disponibili. Il gestore del liquido è integrato con un apparato a pressione positiva, uno shaker orbitale e un dispositivo per riscaldare / raffreddare i campioni nella piastra del pozzo 96. L’apparato a pressione positiva aiuta a eseguire scambi tampone nelle piastre SPE durante la pulizia, mentre lo shaker orbitale aiuta a vortice / mescolare i campioni. La piattaforma robotica è stata programmata per aspirare e erogare buffer e campioni a piastre da 96 pozzi, incubare, campioni di vortice e piastre di trasferimento. I liquidi con viscosità diverse, come acetonitrile e acqua, richiedono specifiche considerazioni di pipettazione che possono anche essere programmate nel metodo.
Il flusso di lavoro cPILOT, a partire dalla quantificazione proteica da parte di BCA all’etichettatura dei peptidi con tag isobarici (cioè TMT), è stato eseguito sul sistema di gestione dei liquidi. Il protocollo completo è stato scalato per utilizzare 96 piastre di pozzo profondo che possono contenere 2 mL per pozzo. I tamponi sono stati preparati prima dell’inizio dell’esperimento e aggiunti alla piastra del pozzo 96 in modo da consentire l’elaborazione parallela del campione. Nel presente studio, 22 repliche del flusso di lavoro dell’omogeneato epatico del topo sono state aggiunte alle piastre del pozzo profondo e prese attraverso il protocollo cPILOT. Infine, un singolo campione costituito dai peptidi taggati al fegato di topo equimolare da 22 plex è stato iniettato allo spettrometro di massa. Le intensità degli ioni reporter corrispondenti all’abbondanza di peptidi nei campioni hanno dimostrato che i campioni elaborati con il gestore del liquido hanno CV inferiori rispetto al protocollo manuale(dati non mostrati). La piattaforma robotica ha anche notevolmente migliorato la riproducibilità dell’elaborazione del campione. Riproducibilità e robustezza sono fattori molto importanti durante l’elaborazione di un gran numero di campioni. Gli errori di pipetting possono portare a una completa interpretazione errata dei dati e qui la piattaforma robotica ha fornito una bassa variazione tra campioni. Anche l’utilizzo della piattaforma robotica per cPILOT ha ridotto il tempo necessario per preparare i campioni. Ad esempio, dopo aver sviluppato il metodo automatizzato, è stato necessario 2,5 ore per elaborare 22 campioni rispetto a 7,5 ore per il cPILOT manuale. Sono in corso esperimenti nel nostro laboratorio per valutare ulteriormente i confronti dei flussi di lavoro cPILOT manuali e automatizzati. Sulla base di precedenti rapporti del nostro laboratorio, i CV%s di intensità ioniche di reporter proteico nel cPILOT manuale erano in media del 20% con alcuni outlier che superavano questo valore12.
cPILOT è una strategia di derivatizzazione chimica a livello peptidico, che può essere utilizzata per qualsiasi tipo di campione come cellule, tessuti e fluidi corporei. cPILOT offre un multiplexing dei campioni migliorato e con l’incorporazione dell’automazione può facilitare il multiplexing del campione ad alta produttività nella proteomica. Questa produttività è necessaria per far progredire ulteriormente la malattia e la comprensione biologica e la scoperta del biomarcatore.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori riconoscono vanderbilt University Start-up Funds e NIH award (R01GM117191) a RASR.
0.6 mL eppendorf tubes, 500 pk | Fisher Scientific | 04-408-120 | Any brand of 0.6 mL eppendorf tubes are sufficient |
0.65 µm Ultrafree MC DV centrifugal filter units | EMD Millipore | UFC30DV00 | |
1.5 mL eppendorf tubes, 500 pk | Fisher Scientific | 05-408-129 | Any brand of 1.5 mL eppendorf tubes are sufficient |
2 ml black deep well plate | Analytical Sales and Services, Inc. | 59623-23BKGC | Any brand of black 96-well plate is sufficient |
2 ml clear deep well plate | VWR | 75870-796 | |
Acetic Acid | J.T. Baker | 9508-01 | |
Acetonitrile – MS Grade | Fisher Scientific | A955-4 | 4 L quantity is not necessary |
Agilent 500µL plate | Agilent | 203942-100 | Reagent plate for adding buffers |
Ammonium formate | Acros Organics | 208-753-9 | |
Ammonium hydroxide solution (28 – 30%) | Sigma Aldrich | 320145-500ML | |
Analytical balance | Mettler Toledo | AL54 | |
BCA protein assay kit | Pierce Thermo Fisher Scientific | 23227 | |
Biomek i7 hybrid | Beckmann | Any liquid handling device with ability to use positive pressure, heating/cooling and Vortex the samples. | |
C18 packing material (2.5 µm, 100 Å) | Bruker | This item is no longer available from Bruker. Alternative packing material with listed specifications will be sufficient | |
Centrifuge with plate rotor | Thermo Scientific | 69720 | |
Micro 21R Centrifuge | Sorval | 5437 | |
Dionex 3000 UHPLC | Thermo Scientific | This model is no longer available. Any nano LC with an autosampler is sufficient. | |
Dithiothreiotol (DTT) | Fisher Scientific | BP172-5 | |
Formaldehyde (13CD2O) solution; 20 wt % in D2O, 98 atom % D, 99 atom % 13C | Sigma Aldrich, Chemistry | 596388-1G | |
Formaldehyde (CH2O) solution; 36.5 – 38% in H2O | Sigma Aldrich, Life Science | F8775-25ML | |
Formic Acid | Fluka Analytical | 94318-250ML-F | |
Fusion Lumos Mass Spectrometer | Thermo Scientific | This model is no longer available. Other high resolution instruments (e.g. Orbitrap Elite, Orbitrap Fusion, or Orbitrap Fusion Lumos) can be used. | |
Hydroxylamine hydrochloride | Sigma Aldrich, Chemistry | 255580-100G | |
Iodoacetamide (IAM) | Acros Organics | 144-48-9 | |
Isobaric Tagging Kit (TMT 11-plex) | Thermo Fisher Scientific | 90061 | |
L-1-tosylamido-2 phenylethyl cholormethyl ketone (TPCK)-treated Trypsin from bovine pancreas | Sigma Aldrich, Life Science | T1426-100MG | |
L-Cysteine | Sigma Aldrich, Chemistry | 168149-25G | |
Mechanical Homogenizer (i.e. FastPrep-24 5G) | MP Biomedicals | 116005500 | |
pH 10 buffer | Fisher Scientific | 06-664-261 | Any brand of pH buffer 10 is sufficient |
pH 7 buffer | Fisher Scientific | 06-664-260 | Any brand pH buffer 7 is sufficient |
pH meter (Tris compatiable) | Fisher Scientific (Accumet) | 13-620-183 | Any brand of a pH meter is sufficient |
Protein software (e.g. Proteome Discoverer) | Thermo Scientific | ||
Reservior plate 200ml | Agilent | 204017-100 | |
Sodium Cyanoborodeuteride; 96 atom % D, 98% CP | Sigma Aldrich, Chemistry | 190020-1G | |
Sodium Cyanoborohydride; reagent grade, 95% | Sigma Aldrich | 156159-10G | |
Speed-vac | Thermo Scientific | SPD1010 | any brand of speed vac that can accommodate a deep well plate is sufficient |
Stir plate | VWR | 12365-382 | Any brand of stir plates are sufficient |
Targa 20 mg SPE plates | Nest Group, Inc. | HNS S18V | These are C18 cartridges |
Triethyl ammonium bicarbonate (TEAB) buffer | Sigma Aldrich, Life Science | T7408-100ML | |
Tris | Biorad | 161-0716 | |
Biomek 24-Place Tube Rack Holder | Beckmann | 373661 | |
Urea | Biorad | 161-0731 | |
Water – MS Grade | Fisher Scientific | W6-4 | 4 L quantity is not necessary |