Мы опишем здесь протоколы для измерения антиген-антитело аффинность связывания и кинетики с использованием четырех обычно используемых платформ биосенсора.
Этикетка свободной оптические биосенсоры являются мощными инструментами в разработке лекарств для характеристики молекулярно-биологических взаимодействий. В этом исследовании мы описали использование четырех обычно используемых платформ биосенсора в нашей лаборатории, чтобы оценить сродство связывания и кинетику десять с высоким сродством моноклональных антител (мАт) против человеческого пропротеина конвертазы субтилизина Kexin типа 9 (PCSK9). В то время как Biacore T100 и Proteon XPR36 получены из хорошо установлено поверхностного плазмонного резонанса технологии (ППР), бывший имеет четыре ячейки потока, соединенные конфигурации последовательного потока, тогда как последние подарки 36 реакционные пятна параллельно через импровизированного 6 х 6 крест-накрест микрожидкостных конфигурации канала. ИБИС MX96 также работает на основе SPR сенсорной технологии, с дополнительной функцией формирования изображения, которая обеспечивает обнаружение в пространственной ориентации. Этот метод обнаружения в сочетании с непрерывным потоком Microspotter (CFM) расширяет пропускную способность значительно по электронной почтеnabling мультиплексной печать массива и обнаружение 96 реакционных видов спорта одновременно. В противоположности этому, Октет RED384 основан на бислой интерферометрия (Л) оптический принцип, с волоконно-оптических датчиками, действующими в качестве биосенсора для обнаружения интерференционной картины изменений при связывании взаимодействий на поверхности наконечника. В отличии от SPR, основанных на платформы, система BLI не зависит от непрерывных потоков струйных; вместо этого, кончики датчиков собирают показания в то время как они погружены в растворы аналита микропланшет-384 скважины в процессе орбитального перемешивания.
Каждая из этих биосенсоров платформ имеет свои преимущества и недостатки. Для того, чтобы обеспечить непосредственное сравнение способности данных инструментов для обеспечения качества кинетических данных, описанные протоколы иллюстрируют эксперименты, которые используют один и тот же формат анализ и те же высококачественные реагенты характеризовать антитело-антиген кинетики, которые соответствуют простой модели 1: 1 взаимодействия молекул ,
The acquisition of reliable kinetic parameters for characterizing antibody-antigen interactions is an essential component of the drug discovery and development process1. Optical Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensors, the “gold standard” for real-time detection of these interactions, have been used for approximately two decades to enable early selection of criteria-meeting therapeutic antibody candidates2,3. In addition to providing an affinity ranking of antibody candidates by the rapid binding screening of crude supernatants4, and rigorous kinetic constant determinations of purified preparations5, biosensors can further differentiate the functional activity of lead candidates via epitope binning studies6,7.
To meet the growing demand of antibody-based products for various therapeutic indications8, a wide variety of innovative biosensor instruments have been developed in recent years that increase the efficiency of candidate identification and characterization9,10. These instruments differ in microfluidic channel configuration design and/or in the optical principles involved in detecting biomolecular interactions. Specifically, the Octet RED38411, ProteOn XPR3612, and IBIS MX967 have expanded the number of interactions measured in a single binding cycle to 16, 36, and 96 respectively, representing significant throughput improvements over the traditional Biacore platform. Although these various biosensor platforms all provide essential kinetic data for characterizing antibody-antigen interactions, they differ in experimental setup and operational procedures due to variations in instrumental configurations. For example, in the IBIS MX96’s SPR imaging array platform, the multiplex ligand immobilization step is performed in an off-line mode in an external printing device separate from the detector7,13; in contrast, the other three biosensor platforms utilize an “all-in-one” setup, where the addition of component onto the sensor surface, whether it is the activation reagent, ligand, or analyte, is recorded in real time and through pre-programmed commands in sequential order. In the Octet RED384, a unique feature of this BioLayer Interferometry (BLI)-based platform is the availability of pre-coated optical fiber biosensors for immediate “dip-and-read” use14, eliminating the need for ligand surface preparation and initiation/conditioning steps, which are often required for the sensor chips in SPR-based platforms. This instrument’s fluidic-free design also simplifies the mechanics and avoids clogging and contamination concerns when dealing with crude samples. With the novel 6 x 6 crisscrossing fluidic design in the ProteOn XPR36, a “one-shot” kinetics approach can be implemented by switching the flow channels between horizontal and vertical directions to create 36 interaction spots15. Instead of assessing binding kinetics one ligand or analyte concentration at a time, as is done in the traditional serial flow Biacore T100 platform, this approach offers the ability to monitor up to 36 different interactions simultaneously in a single binding cycle.
Despite their differences, these four biosensor platforms are all widely used by many laboratories worldwide. For new users with little hands-on biosensor experience, deciding which instrument to use can be a challenging task given the differences in instrumental design. To determine the most appropriate instrument for their research purposes, factors such as data quality, performance consistency, throughput, ease of operation, and material consumption need to be considered collectively. While several benchmark studies have explored the variability of kinetic rate constants obtained from multiple laboratories and biosensors5,16, a recently published head-to-head comparison study further addresses the systematic factors that influence data reliability from the instrumental performance point of view17,18. The protocols supplied in this video focus on the experimental setup and procedures in detail, and are accompanied by the research article entitled, “Comparison of biosensor platforms in the evaluation of high affinity antibody-antigen binding kinetics”17. These protocols are intended not only to help new biosensor users implement these instruments for their research purposes, but also to provide additional insights for current biosensor users regarding technical challenges and considerations in experimental designs for evaluating high-affinity antibody-antigen interactions.
Наше исследование сравнения головы к голове показывает, что каждая биосенсора платформа имеет свои сильные и слабые стороны. Несмотря на то, связывающие профили антител подобны путем визуального сравнения (Рисунки 3 – 6), и ранг порядок полученных констант кинетических скоростей весьма последовательно через инструментов (рисунок 7), полученные нами результаты показывают , что ППР на основе приборов с непрерывная струйная потока) лучше при разрешении высокой аффинности взаимодействий с низкой скоростью диссоциации. Восходящий дрейф во время фазы диссоциации наблюдается в наборах данных (например, МАт 2, мАт 5, и мАт 9; Рисунок 5) , порожденный BLI гидросистемы свободного инструментом. Этот вывод может быть связан в значительной степени испарения образца с течением времени в микропланшете, который является основным ограничением системы. С помощью этого присущего ограничения, экспериментальное время также ограничено до менее чем 12 ч; Поэтому эксперименты были запрограммированы с шorter раз (500 сек ассоциации и диссоциации 30 мин) по сравнению с теми из других платформ (10 мин ассоциации и диссоциации 45 мин). Тем не менее, сокращение экспериментального времени не появлялось , чтобы смягчить влияние испарения на качестве данных / консистенции, так как константы скорости , генерируемые Л на основе прибора , показывают меньшую линейность в результате флуктуаций в некоторых из отходящих ставок (фиг.8С ). В дополнении к испарению образца, различие в используемых реагентах, используемых захвата может также способствовало различиям в полученных результатах. В то время как белок A / G использовали во все три гидросистеме на основе SPR платформы, датчики AHC были использованы в не-гидросистеме BLI платформе. Так как белок A / G, вероятно, имеют более слабое сродство к мАт, чем делает ПВК, антитело на основе биосенсора поверхность, отходящие темпы мАт-антиген комплекса от белка A / G поверхностей может искусственно появляться быстрее, чем те, получено от поверхности AHC. Эта возможность поддерживается бу экспериментальные данные , показывающие , что значения вне скорости , генерируемые платформой BLI были последовательно ниже , чем полученные от других инструментов (рисунок 7, красная линия). Тем не менее, BLI платформа имеет различные преимущества по сравнению с другими платформами. Например, она обладает высокой гибкостью в отношении выбора датчика и конфигурацию анализа из-за различные предварительно покрытые датчиками для немедленного использования. В наших экспериментах, использование датчиков AHC устраняет необходимость шагов лиганда иммобилизации, сокращая время приготовления. Кроме того, платформа ЛА требует гораздо меньшее техническое обслуживания по сравнению с другими струйной SPR платформ, которые отличают сложную насосно-компрессорную и переключатель значения конфигурации. Эта функция является преимуществом для экспериментов с сырой образцы, которые могут вызвать проблемы засорения и загрязнения.
Поскольку спрос на эффективное, быстрое и точное выявление терапевтических кандидатов возрастает, потребность в биosensor пропускная способность также растет. Среди четыре биосенсора платформ, пропускная способность от биосенсора, способного 96-лиганда печати массива является самым высоким, с последующим биосенсором, соединенным с пересекающим 36-лигандом формата и Л на основе биосенсора с 16-канальным синхронным считыванием, которая в конечном счете увеличить число взаимодействий, измеренных в одном цикле связывания до 96, 36 и 16, соответственно. Эти возможности пропускная способность значительно выше, чем у традиционной SPR платформы, которая ограничена наличием только четыре ячейки потока, соединенные один последовательный поток. Поскольку наши эксперименты включали относительно небольшой набор образцов из 10 моноклональных антител оценивали в нескольких поверхностных плотностей с большим временем диссоциации, инструментальные пропускные способности играет умеренную роль в определении эффективности экспериментов. Там не было никаких существенных различий в экспериментальных времен трех высокопроизводительных платформ, а также во всех случаях опыты были проведены в один день, С другой стороны, традиционные эксперименты SPR последовательного потока требуется 3 дня, чтобы закончить, несмотря на блуждания одноразовая автоматизации сбора данных после установки в. В других исследованиях, включающие большое количество образцов (например , в сотнях или тысячах), для ранжирования от скорости / Кинетическая скрининга или эпитоп биннинговых целей, пропускная способность становится критическим фактором.
Хотя пропускная способность в IBIS MX96 на несколько порядков выше, чем у других биосенсоров и поэтому является оптимальным выбором для этих целей, он имеет несколько недостатков. В частности, печать массива с помощью CFM показывает большие поверхностные несоответствия (рисунок 1) и снижение воспроизводимости данных (рис 8D и 8E). Для получения точных кинетических измерений, количество лиганда на поверхности биосенсора является критическим параметром, который необходимо контролировать, чтобы гарантировать, что связывание ответы не нарушается вторичными факторами, такие какмассоперенос или пространственное затруднение. Для Biacore T100 и Proteon XPR36, уровни оптимальной R L были определены на основе стандартного расчета значений макс множество R , как описано в статье 17 исследований. С другой стороны, для платформ Октета RED384 и ИБИС MX96, уровни захвата монАТа были достигнуты эмпирический с использованием ряда 2-кратно серийно разведенными антител при постоянном время. Отсутствие знаний или контроля стадии захвата привело к поверхности с высокой плотностью и высокими сигналами связывания отклика (рисунок 2) , что , возможно, скомпрометированных точностью констант кинетических скоростей. Кроме того, разделение принтера от детектора SPR также представляет собой проблему при проведении нескольких измерений связывания цикла с участием перерождения. Единственный способ выполнить настройку кинетики мульти-цикла путем прямое аминное сочетание из мАта, в отличие от захвата через монАТ Fc с иммобилизованным белком A / Gповерхность в трех других платформах биосенсора. В результате дополнительный эксперимент регенерации разведки требовалось, чтобы определить оптимальные условия регенерации. Исход этой установки был связан с ~ 90% меньше наблюдаемой поверхностной активностью по сравнению с методом захвата Fc (рисунок 9), в дополнении к уже времени эксперимента. Для того, чтобы выполнить метод захвата Fc, был принят кинетический подход Альтернативы однотактного. Этот подход включает в себя последовательное введение анализируемого вещества при увеличении концентраций без регенерации между каждой инъекции (рисунок 2). Это очень удобно, но менее часто применяется подход не только сократил время эксперимента и снижение расхода реагента, но и получает константы кинетической скорости весьма сходные с теми из других биосенсоров (рисунок 7). Поэтому, применяя эту кинетику однотактного подход преодолевает присущее конфигурации ограничение прибора и представляет собойвозможность для получения констант с высокой разрешающей способностью кинетических скоростей в высокой пропускной образом.
Несмотря на пропускной способности является основным ограничением в Biacore T100, наши результаты в совокупности показывают, что она породила наиболее последовательные данные с высоким качеством. Это сопровождалось Proteon XPR36, который имеет ~ 10 раз выше пропускной способности. Их способность генерировать высококачественные данные становится преимуществом при характеристике высоким сродством антитело-антиген взаимодействий, которые могут быть технически сложной задачей при достижении пределов обнаружения инструментов. В то время как систематические ограничения в измерительных приборах октет RED384 препятствуют точному измерению констант диссоциации скорости (т.е. далеко от чувствительности разрешить достаточное затухание сигнала для медленного офф-ставка), как Biacore T100 и Proteon XPR36 может обеспечить чувствительным и надежным обнаружения для дифференцировки.
The authors have nothing to disclose.
Авторы благодарят Ной Дитто и Адам Мили за техническую помощь на IBIS MX96.
Biacore T100 System | GE Healthcare | 28975001 | The T100 system has been upgraded to T200 |
CM5 Sensor Chip | GE Healthcare | BR100012 | |
BIAevaluation | GE Healthcare | Version 4.1 | |
Biacore T100 Control Software | GE Healthcare | The T100 control software has been upgraded to T200 | |
Amine Coupling Kit | GE Healthcare | BR100050 | It contains: 750 mg 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (EDC), 115 mg N-hydroxysuccinimide (NHS), 10.5 ml 1.0 M ethanolamine-HCl pH 8.5 |
HBS-EP+ Buffer 10× | GE Healthcare | BR100669 | Concentrated stock solution |
Plastic Vials, o.d. 7 mm | GE Healthcare | BR100212 | |
Rubber Caps, type 3 | GE Healthcare | BR100502 | |
Plastic Vials and Caps, o.d. 11 mm | GE Healthcare | BR100214 | |
ProteOn XPR36 Protein Interaction Array System | Bio-Rad | 1760100 | |
ProteOn Manager Software | Bio-Rad | 1760200 | Version 3.1.0.6 |
GLM Sensor Chip | Bio-Rad | 1765012 | |
Amine Coupling Kit | Bio-Rad | 1762410 | It includes EDAC (EDC), sulfo-NHS, ethanolamine HCl |
Regeneration and Conditioning Kit and Buffers | Bio-Rad | 1762210 | It includes 1 each glycine buffer (pH 1.5, 2.0, 2.5, 3.0), and NaOH, SDS, HCl, phosphoric acid, NaCl; 50 ml each solution |
2 L PBS/Tween/EDTA buffer | Bio-Rad | 1762730 | It includes hosphate buffered saline (PBS), pH 7.4, 0.005% Tween 20, 3 mM EDTA |
Octet RED384 System | FortéBio | ||
Data Analysis Software | FortéBio | Version 9.0.0.4 | |
Dip and Read Anti-hIgG Fc Capture (AHC) Biosensors | FortéBio | 18-5060 | One tray of 96 biosensors |
384-Well Tilted-Bottom Plate | FortéBio | 18-5080 | |
Biosensor Dispenser | FortéBio | 18-5016 | |
Kinetics Buffer 10X | FortéBio | 18-1092 | 10X concentration. Contains ProClin 300. |
IBIS MX96 SPRi System | Wasatch Microfluidics | ||
Microfluidics Continuous Flow Microspotter (CFM) Printer | Wasatch Microfluidics | Version 2.0 | |
SensEye COOH-G chip | Wasatch Microfluidics | 1-09-04-004 | |
Data Analysis Software | Wasatch Microfluidics | Version 6.19.3.17 | |
SPRint Data Analysis Software | Wasatch Microfluidics | Version 6.15.2.1 | |
Scrubber 2 | BioLogic Software | Version 2 | |
Pierce Recombinant Protein A/G | ThermoFisher Scientific | 21186 |