يصف البروتوكول إعداد أعمدة كروماتوغرافيا تقارب غشاء الخلية (CMAC) مع شظايا غشاء الخلية المجمدة التي تحتوي على بروتينات مستقبلات التروبوميوزين كيناز B الوظيفية عبر الغشاء. كما يتم شرح استخدام أعمدة CMAC في تحديد مستقلبات النباتات المتخصصة التي تتفاعل مع هذه المستقبلات والموجودة في المخاليط الطبيعية المعقدة.
كانت المواد الكيميائية التي يتم تصنيعها بواسطة النباتات والفطريات والبكتيريا واللافقاريات البحرية مصدرا غنيا لضربات الأدوية الجديدة وخيوطها. تم تحديد الأدوية مثل الستاتين أو البنسلين أو الباكليتاكسيل أو راباميسين أو الأرتيميسينين ، التي يشيع استخدامها في الممارسة الطبية ، لأول مرة وعزلها عن المنتجات الطبيعية. ومع ذلك ، فإن تحديد وعزل المستقلبات المتخصصة النشطة بيولوجيا من المصادر الطبيعية هي عملية صعبة وتستغرق وقتا طويلا. تقليديا ، يتم عزل المستقلبات الفردية وتنقيتها من مخاليط معقدة ، بعد استخراج الكتلة الحيوية. في وقت لاحق ، يتم اختبار الجزيئات المعزولة في اختبارات وظيفية للتحقق من نشاطها البيولوجي. نقدم هنا استخدام أعمدة كروماتوغرافيا تقارب الغشاء الخلوي (CMAC) لتحديد المركبات النشطة بيولوجيا مباشرة من المخاليط المعقدة. تسمح أعمدة CMAC بتحديد المركبات التي تتفاعل مع البروتينات الوظيفية عبر الغشاء (TMPs) المجمدة المضمنة في بيئتها ثنائية الطبقة الفوسفاتية الأصلية. هذا نهج مستهدف ، والذي يتطلب معرفة TMP الذي يعتزم المرء تعديل نشاطه مع مرشح عقار الجزيء الصغير الذي تم تحديده حديثا. في هذا البروتوكول ، نقدم نهجا لإعداد أعمدة CMAC مع مستقبلات التروبوميوسين كيناز B (TrkB) المجمدة ، والتي ظهرت كهدف قابل للتطبيق لاكتشاف الأدوية للعديد من اضطرابات الجهاز العصبي. في هذه المقالة ، نقدم بروتوكولا مفصلا لتجميع عمود CMAC مع مستقبلات TrkB المجمدة باستخدام خطوط خلايا الورم الأرومي العصبي التي تبالغ في التعبير عن مستقبلات TrkB. كما نقدم النهج للتحقيق في وظائف العمود واستخدامه في تحديد مستقلبات النباتات المتخصصة التي تتفاعل مع مستقبلات TrkB.
المخاليط النباتية غنية بالمركبات النشطة دوائيا1 ، وتعمل كمصدر جيد لتحديد نتائج الأدوية الجديدة وتؤدي إلى2،3،4،5. كان اكتشاف أدوية جديدة من المنتجات الطبيعية نهجا مثمرا والعديد من الأدوية المعتمدة حاليا نشأت من مركبات تم تحديدها لأول مرة في الطبيعة. من الصعب أن يقابل التنوع الكيميائي للمركبات الطبيعية مكتبات من صنع الإنسان من الجزيئات المصنعة كيميائيا. تتفاعل العديد من المركبات الطبيعية مع أهداف البروتين البشري وتعدل ويمكن اعتبارها جزيئات شبيهة بالأدوية محسنة تطوريا6. هذه المركبات الطبيعية مناسبة بشكل خاص لتحديد الرصاص المخدرات لاستخدامها في الاضطرابات العصبية6. اثنان من الأدوية المعتمدة حاليا من إدارة الأغذية والعقاقير لإدارة مرض الزهايمر (AD) مشتقة من قلويدات طبيعية ، وهي: galantamine و rivastigmine (مشتق من physostigmine)6. تم تحديد L-DOPA ، وهو حاليا الدواء الأكثر شيوعا لمرض باركنسون ، لأول مرة من الفول العريض (Vicia faba L.) 7. Pergolide و lisuride ، ناهضات مستقبلات الدوبامين هي مشتقات قلويدات الإرغوت الطبيعية من الفطريات الطفيلية Claviceps purpurea8. ريسيربين، قلويد معزول من جذر الثعبان الهندي (Rauvolfia serpentina (L.) Benth. ex Kurz) كان واحدا من أوائل الأدوية المضادة للذهان9. في الآونة الأخيرة ، تم ربط الاستجابة المناعية غير المنظمة والالتهاب الجهازي بتطور العديد من الأمراض العصبية ، مثل الاضطراب الاكتئابي الرئيسي أو الأمراض العصبية التنكسية10. تم العثور على نظام غذائي نباتي جنبا إلى جنب مع تدخلات نمط الحياة الأخرى لتحسين القدرات المعرفية والوظيفية لدى كبار السن 11،12،13،14،15،16،17،18،19،20،21 . تم العثور على بعض الجزيئات الكهربية التي تنتمي إلى triterpenes والبوليفينول لتعديل الاستجابات الالتهابية في كل من المختبر وفي النماذج الحية 12. على سبيل المثال ، تتداخل المركبات الطبيعية التي تحتوي على α،β الكربونيل غير المشبع (على سبيل المثال ، الكركمين ، القرفة ، القرفة) ، أو مجموعة الأيزوثيوسيانات (على سبيل المثال ، السلفورافان) مع مستقبلات Toll-4 (TLR4) التي تمنع التوليف النهائي للسيتوكينات المؤيدة للالتهابات في خط الخلايا المؤيدة لل B المعتمد على الفئران12,22 . تشير الأدلة الوبائية بقوة إلى أن المواد الكيميائية النباتية الغذائية ، الموجودة في المصفوفات الغذائية المعقدة ، قد تشكل أيضا مصدرا قابلا للتطبيق لأدوية جديدةتؤدي 6.
واحدة من العقبات الرئيسية في تحديد الجزيئات النشطة بيولوجيا الموجودة في المستخلصات النباتية ، بما في ذلك الأغذية النباتية ، هي تعقيد العينات التي تم التحقيق فيها. تقليديا ، يتم عزل المركبات الفردية وتنقيتها واختبارها لاحقا للنشاط البيولوجي. عادة ما يؤدي هذا النهج إلى تحديد المركبات الأكثر وفرة وتميزا. تعتمد مناهج اكتشاف الأدوية المظهرية بدون هدف جزيئي محدد على التجزئة الموجهة بيولوجيا للمخاليط المعقدة23. في هذا النهج ، يتم تقسيم المستخلص إلى أجزاء فرعية أقل تعقيدا يتم اختبارها لاحقا في اختبارات النمط الظاهري. يسترشد عزل وتنقية المركبات النشطة بالنشاط البيولوجي الذي تم التحقق منه في الفحص. قد تؤدي معرفة هوية هدف دوائي محدد إلى تسريع كبير في تحديد المركبات النشطة دوائيا الموجودة في المخاليط المعقدة. تعتمد هذه الأساليب عادة على تجميد الهدف الجزيئي ، على سبيل المثال ، إنزيم ، على سطح صلب ، مثل الخرز المغناطيسي23. وتستخدم الأهداف المجمدة لاحقا في تجارب الفرز التي تؤدي إلى عزل المركبات المتفاعلة مع الهدف. في حين تم استخدام هذا النهج على نطاق واسع في تحديد المركبات التي تستهدف البروتينات الخلوية ، فقد تم تطبيقه بشكل أقل شيوعا في تحديد المواد الكيميائية المتفاعلة مع البروتينات عبر الغشاء (TMPs)23. ينبع تحد إضافي في تجميد TMPs من حقيقة أن نشاط البروتين يعتمد على تفاعله مع الدهون الفوسفاتية في غشاء الخلية والجزيئات الأخرى في الطبقة الثنائية مثل الكوليسترول23,24. من المهم الحفاظ على هذه التفاعلات الدقيقة بين البروتينات وبيئتها ثنائية الطبقة الفوسفاتية الأصلية عند محاولة شل حركة الهدف عبر الغشاء.
في غشاء التقارب الخلوي ، يتم تجميد شظايا غشاء الخلية (CMAC) ، وليس البروتينات النقية ، على جزيئات الطور الثابت للغشاء الاصطناعي (IAM)23. يتم تحضير المراحل الثابتة IAM عن طريق الترابط التساهمي لنظائر الفوسفاتيديل كولين على السيليكا. تم مؤخرا تطوير فئات جديدة من المراحل الثابتة IAM التي يتم فيها تغطية مجموعات الأمين والسيلانول الحر (IAM. كمبيوتر شخصي. جسيمات DD2). خلال أعمدة CMAC إعداد شظايا غشاء الخلية يتم تجميدها على سطح جزيئات IAM من خلال الامتزاز.
وقد استخدمت أعمدة CMAC حتى الآن لشل حركة فئات مختلفة من TMPs بما في ذلك القنوات الأيونية (على سبيل المثال ، مستقبلات النيكوتين) ، GPCRs (على سبيل المثال ، مستقبلات المواد الأفيونية) ، ناقلات البروتين (على سبيل المثال ، p-glycoprotein) ، إلخ.24. وقد استخدمت أهداف البروتين المجمدة في توصيف الديناميكا الدوائية (على سبيل المثال، ثابت التفكك، Kd) أو تحديد حركيات الربط (kon and koff) لأربطة الجزيئات الصغيرة التي تتفاعل مع الهدف وكذلك في عملية تحديد خيوط الدواء الجديدة المحتملة الموجودة في المصفوفات المعقدة24 . نقدم هنا إعداد أعمدة CMAC مع مستقبل التروبوميوسين كيناز B (TrkB) المتجمد ، والذي ظهر كهدف قابل للتطبيق لاكتشاف الأدوية للعديد من اضطرابات الجهاز العصبي.
أظهرت الدراسات السابقة أن تنشيط مسار عامل التغذية العصبية المشتق من الدماغ (BDNF) / TrkB يرتبط بتحسين بعض الأمراض العصبية ، مثل AD أو اضطراب الاكتئاب الرئيسي25،26،27،28. وأفيد أن مستويات BDNF وتعبيره عن مستقبلاته TrkB تنخفض في AD ، وتخفيضات مماثلة تضعف وظيفة الحصين في النماذج الحيوانية من AD29. تم الإبلاغ عن انخفاض مستويات BDNF في مصل ودماغ مرضى AD 30،31،32. تم العثور على فرط التعبير عن تاو أو فرط الفسفرة لخفض تنظيم تعبير BDNF في الخلايا العصبية الأولية والنماذج الحيوانية AD33،34،35. بالإضافة إلى ذلك ، تم الإبلاغ عن أن BDNF له آثار وقائية على السمية العصبية الناجمة عن β أميلويد في المختبر وفي الجسم الحي36. وقد تبين أن إعطاء BDNF المباشر في دماغ الفئران يزيد من التعلم والذاكرة في الحيوانات الضعيفة إدراكيا37. ظهرت BDNF / TrkB كهدف صالح لتخفيف الاضطرابات العصبية والنفسية بما في ذلكAD 28,38. إن استهداف مسار إشارات BDNF / TrkB لتطوير العلاجات في AD من المحتمل أن يعزز فهمنا للمرض39. لسوء الحظ ، لا يمكن استخدام BDNF نفسه كعلاج بسبب خصائصه الدوائية السيئة وآثاره الجانبية الضارة40. تم استكشاف منشطات الجزيئات الصغيرة لمسارات TrkB / BDNF كروابط TrkB محتملة41،42،43. من بين ناهضات الجزيئات الصغيرة التي تم اختبارها ، 7,8-dihydroxyflavone (7,8-DHF) ، ثبت أنها تنشط مسار BDNF / TrkB41,44,45,46. ويجري حاليا النظر في مشتق من 7,8-DHF (R13؛ 4-Oxo-2-phenyl-4H-chromene-7,8-diyl bis(methylcarbamate)) كدواء محتمل ل AD47. في الآونة الأخيرة ، تبين أن العديد من مضادات الاكتئاب تعمل من خلال الارتباط المباشر ب TrkB وتعزيز إشارات BDNF ، مما يؤكد على أهمية متابعة TrkB كهدف صالح لعلاج الاضطرابات العصبية المختلفة48.
يصف البروتوكول عملية تجميع عمود TrkB الوظيفي وعمود التحكم السلبي TrkB-NULL. تتميز الأعمدة باستخدام منتج طبيعي معروف رباط جزيئي صغير: 7,8-DHF. بالإضافة إلى ذلك ، نصف عملية فحص المصفوفات المعقدة ، باستخدام المستخلص النباتي كمثال ، لتحديد المركبات التي تتفاعل مع TrkB.
إن تحديد المركبات النشطة الموجودة في مخاليط معقدة من المستقلبات المتخصصة مهمة صعبة للغاية23. تقليديا ، يتم عزل المركبات الفردية ، ويتم اختبار نشاطها في فحوصات مختلفة. هذا النهج يستغرق وقتا طويلا ومكلفا وغالبا ما يؤدي إلى عزل وتحديد المركبات الأكثر وفرة وتميزا23. ?…
The authors have nothing to disclose.
تم دعم Z.C.A. من قبل مجلس البحوث العلمية والتكنولوجية في تركيا (TUBITAK) 2219- برنامج زمالة أبحاث ما بعد الدكتوراه الدولي. تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور من قبل المركز الوطني للطب التكميلي والتكاملي التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت رقم الجائزة 1R41AT011716-01. كما تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل الجمعية الأمريكية لمنحة بدء أبحاث العقاقير ، ومنحة ريجيس تكنولوجيز إلى L.C. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين وحدهم ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة.
7-8 Dihydroxyflavone hydrate | Sigma-Aldrich | D5446-10 mg | ≥98% (HPLC) |
Adenosine 5'-triphosphate (ATP) disodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | A2383-1 g | |
Ammonium acetate | VWR Chemicals BDH | BDH9204-500 g | |
BDNF antibody | Invitrogen | PA5-15198-400 μL | Primary antibody; 2 mg/mL of concentration |
Benzamidine hydrochloride hydrate | Sigma-Aldrich | B6506-25 g | |
Brain derived neurotrophic factor (BDNF) human | Sigma-Aldrich | B3795-10 μg | Recombinant, expressed in E. coli, lyophilized powder, suitable for cell culture |
Calcium chloride | VWR Analytical | BDH9224-1 kg | |
Cholic acid sodium salt | Alfa Aesar | J62050-100 g | |
Dounce homogenizer | VWR | 71000-516 | 40 mL, 285 mm (overall lenght), 32 x 140 mm (O.D. x H) |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 493511 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | VWR Analytical | BDH-9232-500 g | |
Fetal bovine serum | Sigma-Aldrich | F2442-500 mL | sterile-filtered, suitable for cell culture |
G418 disulfate salt solution | Sigma-Aldrich | G8168-100 mL | 50 mg/mL in H2O, 0.1 μm filtered, suitable for cell culture |
Glycerol | VWR Life Science | E520-100 mL | |
Immobilized artificial membrane (IAM.PC.DD2) | Regis Technologies, Inc. | 1-771050-500 | |
Magnesium chloride hexahydrate | VWR Analytical | BDH9244-500 mL | |
Methanol | Sigma-Aldrich | 322425 | |
Nikon Plan Fluor | Nikon | Confocal laser scanning microscope | |
Normal goat serum (10%) | Life Technologies | 50197Z | |
Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333-100 mL | |
Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF) | Thermo Scientific | 36978-5 g | |
Phosphate buffered saline (PBS) | VWR Life Science | K812-500 mL | 1x |
Potassium chloride | VWR Chemicals BDH | 0395-1 kg | |
Protease inhibitor cocktail | VWR Life Science Ambreso | M221-1 mL | Proteomics grade, containing 50 mM AEBSF, 30 µM aprotonin, 1 mM bestatin, 1 mM E-64 and 1 mM leupeptin |
RPMI-1640 medium | Sigma-Aldrich | R8758-500 mL | with L-glutamine and sodium bicarbonate, liquid, sterile-filtered, suitable for cell culture |
Secondary antibody goat anti-rabbit IgG (H+L) | Invitrogen Alexa Flour Plus 488 | A32731 | |
SH-SY5Y Neuroblastoma cell lines expressing Trk-B | Kerafast | ECP007 | |
SH-SY5Y Trk-NULL cell line | Kerafast | ECP005 | |
Snake skin dialysis tubing | Thermo Scientific | 88245 | 10K MWCO, 35 mm dry I.D. |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
Sodium chloride | BDH VWR Analytical | BDH9286-2.5 kg | |
Tricorn 5/20 column | GE Healthcare | 24-4064-08 | |
Tris-HCl | VWR Life Science | 0497-1 kg | |
Trypsin-EDTA solution | Sigma-Aldrich | T4049-500 mL | 0.25%, sterile-filtered, suitable for cell culture, 2.5 g porcine trypsin and 0.2 g EDTA |