הפרוטוקולים המתוארים בזאת מספקים מדריך כדי לדמיין ולכמת את הפעילות של פרוטאזות נויטרופילים בליחה אנושית. היישומים של ניתוח כזה משתרעים מההערכה של טיפולים אנטי דלקתיים, לאימות סמנים ביולוגיים, הקרנת תרופות ומחקרים קליניים גדולים.
פרוטאזות הן רגולטורים של אינספור תהליכים פיזיולוגיים והחקירה המדויקת של פעילותם נותרה אתגר ביו-רפואי מסקרן. בין ~ 600 פרוטאזות מקודד על ידי הגנום האנושי, פרוטאזות סרין נויטרופילים (NSPs) נחקרים ביסודיות על מעורבותם בתחילת והתקדמות של מחלות דלקתיות כולל מחלות בדרכי הנשימה. באופן ייחודי, NSPs מופרש לא רק מפוזר בתוך נוזלים חוץ תאיים, אלא גם לוקליזציה לקרומי פלזמה. במהלך היווצרות מלכודת חוץ-תאית נויטרופילית (NETs), NSPs הופכים לחלק בלתי נפרד מהכרומטין המופרש. התנהגות מורכבת כזו הופכת את ההבנה של פתופיזיולוגיה NSPs למשימה מאתגרת. כאן, פרוטוקולים מפורטים מוצגים לדמיין, לכמת ולהפלות חופשי קרום קשור אלסטאז נויטרופילים (NE) ו cathepsin G (CG) פעילויות בדגימות ליחה. NE ו- CG הם NSPs שפעילותם יש תפקידים pleiotropic בפתוגנזה של סיסטיק פיברוזיס (CF) ומחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD): הם מקדמים שיפוץ רקמות, לווסת את התגובות החיסוניות במורד הזרם לתאם עם חומרת מחלת ריאות. הפרוטוקולים מראים כיצד להפריד בין שבר נוזלי לתאי, כמו גם בידוד של נויטרופילים מליחה אנושית לכימות פעילות אנזימטית באמצעות מולקולה קטנה Förster תהודה אנרגיה מבוססי העברת אנרגיה (FRET) כתבים. כדי לאסוף תובנות ספציפיות על התפקיד היחסי של פעילויות NE ו- CG, קריאת FRET יכולה להימדד על ידי טכנולוגיות שונות: i) מדידות קורא לוחות במבחנה מאפשרות תפוקה גבוהה וזיהוי בצובר של פעילות פרוטאז; ii) מיקרוסקופיה קונפוקלית פותרת פעילות הקשורה לקרום על פני התא; iii) ציטומטריית זרימה FRET מולקולה קטנה מאפשרת הערכה מהירה של טיפולים אנטי דלקתיים באמצעות כימות פעילות פרוטאז חד-תאי ופנוטיפים. היישום של שיטות כאלה פותח את הדלתות לחקור פתוביולוגיה NSPs ואת הפוטנציאל שלהם כמו סמנים ביולוגיים של חומרת המחלה עבור CF ו COPD. בהתחשב בפוטנציאל התקינה שלהם, הקריאה החזקה שלהם ופשטות ההעברה, הטכניקות המתוארות ניתנות לשיתוף מיידי ליישום במעבדות מחקר ואבחון.
נויטרופילים אלסטאז (NE), קטפסין G (CG), פרוטאז 3 (PR3) ו נויטרופילים סרין פרוטאז 4 (NSP4) הם ארבע פרוטאזים סרין נויטרופילים (NSP)1. הם מאוחסנים, יחד עם myeloperoxidase, בתוך גרגרים ראשוניים נויטרופילים או אזורופילית. בשל התוכן הפרוטאוליטי המוגבה שלהם, הפרשת הגרגרים העיקריים מוסדרת היטב ונויטרופילים צריכים להיות מאותגרים ברצף עם הפרימינג והפעלתגירויים 2.
בתוך phagolysosome, NSPs לתפקד כסוכנים bactericidal תאיים3. כאשר מופרש, NSPs הופכים מתווכים חזקים של דלקת: הם cleave ציטוקינים קולטני פני השטח, הפעלת מסלולים פרו דלקתיים מקבילים3. חשוב לציין, תנאים דלקתיים תכונה הפרשת NSPs בלתי מבוקרת. לדוגמה, בתוך דרכי הנשימה מודלק, פעילות NE מוגזמת גורמת hypersecretion ריר, מטפלזיה של תאי גביע, איון CFTR ומטריצה חוץ תאית שיפוץ4,5. קטפסין G משתתף בדלקת גם כן: הוא במיוחד cleaves ומפעיל שני מרכיבים של משפחת IL-1, IL-36α ו IL-36β6. בתיאום עם NE, CG cleaves קולטנים המופעלים על ידי פרוטאז על אפיתל דרכי הנשימה וגם מפעיל TNF-α ו IL-1β.
אנטי פרוטאזות אנדוגני כגון אלפא-1-אנטיטריפסין, אלפא-1-אנטיכימוטריפסין ומעכב פרוטאז לויקוציטים הפרשתי לווסת אלסטאז נויטרופילים ופעילות קטפסין G5. עם זאת, במהלך התקדמות מחלת ריאות, הפרשת מתמשך של פרוטאזים עולה stoichiometrically מגן אנטי פרוטאז, המוביל נויטרופיליה בלתי פותרת בדרכי הנשימה, החמרה דלקת ונזק לרקמות5,7. למרות ריכוז NE ופעילות שברים מסיסים של דרכי הנשימה החולה הוכח להיות סמן ביולוגי מבטיח של חומרת המחלה8, NE ו CG גם לקשר את קרום פלזמה נויטרופילים לדנ”א חוץ תאי באמצעות אינטראקציות אלקטרוסטטיות9,10 שבו הם הופכים פחות נגיש אנטי פרוטאזות. חשוב לציין, מחקרים פרה-קוליניים הגדירו תרחיש שבו פעילות פרוטאז הקשורה לפני השטח של התא מופיעה מוקדם יותר ו/או ללא תלות בעמיתה המסיס4,11. למעשה, כדי להיות לזיהוי, פעילות פרוטאז חינם צריכה קודם להציף את מגן האנטי פרוטאז. במקום זאת, על פני השטח של התא, פעילות פרוטאז הקשורה לקרום נשארת שלם לפחות חלקית בשל חוסר הנגישות של מעכבים גדולים לקרום פלזמה התא12. להתנהגות פרוטאז מורכבת כזו יש השלכות חשובות על התפרצות דלקת בתיווך נויטרופילים והתפרצות, ולכן יש לחקור אותה בכלים מדויקים ואינפורמטיביים.
במהלך השנים, Förster תהודה העברת אנרגיה (FRET)מבוססי בדיקות מצאו יישומים ביו רפואיים רבים ככלים להעריך ביעילות ובמהירות פעילות פרוטאז ספציפית בדגימות אנושיות13. כדי לתפקד, כתבי פרוטאז מורכבים ממוטיב זיהוי (כלומר, פפטיד), המוכר על ידי אנזים היעד ומסתמך על FRET, תהליך פיזי שבו, עם עירור, פלואורופור תורם מעביר אנרגיה למולקולה מקבלת. העיבוד המופעל על ידי האנזים על הכתב, כלומר המחשוף של חלק ההכרה, גורם למקבל להתפזר מהתורם: פעילות האנזים נמדדת אפוא כשינוי תלוי זמן בתורם על פני הפלואורסצנטיות המקבלת. קריאה כזו היא נורמליזציה עצמית ויחסיות, ולכן מושפעת רק באופן שולי על ידי תנאים סביבתיים כגון pH וריכוז בדיקה מקומי. NEmo-114 ו SSAM15 הם בדיקות FRET לדווח באופן ספציפי על פעילות NE ו CG, בהתאמה. עם זאת, כתבים כאלה אינם מקומיים באופן ספציפי לכל תא סלולרי, ולכן הם מועסקים כדי לפקח על פעילות פרוטאז נוכח נוזלים אנושיים. על מנת לפקח על פעילות פרוטאז באופן מקומי מעוגל, אנו ואחרים פיתחנו בדיקות FRET המקשרות לרכיבים תת-תאיים באמצעות תגים מולקולריים14,15,16,17,18,19. אסטרטגיה סינתטית כזו אפשרה את הפיתוח של NEmo-2 ו mSAM, שתי בדיקות FRET מצויד עוגנים השומנים כי לוקליזציה קרום הפלזמה. כתבים אלה תדלקו הבנה עמוקה יותר של NE ו CG פרוטאזות סיסטיק פיברוזיס ומחלות ריאות חסימתיות כרוניות14,15.
כאן, פרוטוקולים מפורטים מסופקים עבור הדמיה וכימות של פעילויות NE ו- CG מסיסות וממברנות בליחה אנושית באמצעות סדרת NEmo ו- SAM של בדיקות FRET. כדי לטפל בהיבטים מגוונים של פתופיזיולוגיה NSPs ולספק מערך של שיטות שניתן לטפל בהן בהתאם לצורך הספציפי למשתמש, הניתוח באמצעות ספקטרוסקופיית פלואורסצנטיות, מיקרוסקופיית פלואורסצנטיות וציטומטריית זרימה מוצגים.
הפרוטוקולים המדווחים מסבירים גישות שונות לכימות הפעילות של אלסטאז נויטרופילים וקתפסין G בדגימות כיח אנושיות. נקודות קריטיות למדידת פעילות אנזים מוצלחת הן ה- i) תזמון ותקינה מדויקים של ההליך האופרטיבי ו- ii) שימוש בבקרות שליליות וחיוביות אמינות. אם תנאים אלה מתקיימים, השיטות המתוארות אינן מוגבלות ליחה אבל יכול גם להיות מותאם בקלות לניתוח של פעילות פרוטאז בדם, נוזלי שטיפת סימפונות ומקטעי רקמות או הומוגנטים.
לכל אחת משלוש הטכניקות יש את החוזקות והמגבלות שלה, שלעתים קרובות משלימות זו את זו. לדוגמה, cytometry זרימה מאפשר ניתוח מהיר של אוכלוסיות תאים נדירים, כמו גם פנוטיפים התא אבל חסר מידע ברזולוציה מרחבית, אשר ניתן להשיג על ידי מיקרוסקופיה. במקום זאת, מדידות קורא הלוחות מאפשרות הערכה מקבילה של מספר דגימות או תנאים באופן בעל תפוקה גבוהה. מאחר שלא ניתן להקפיא ולאחסן תאי ליחה טריים, שלוש השיטות דורשות עיבוד מהיר של דגימות לאחר הציפייה. פעולה זו מגבילה את הגמישות או את התפוקה של מדידות הפעילות המאוגדות בקרום. הפיתוח של פרוטוקול cytometry זרימה המאפשר לתקן תאים לאחר תוספת בדיקה מחשוף אנזימטי ייפתח למדידה מקבילה של מספר גבוה יותר של צינורות. יתר על כן, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לטיפול ואחסון של בדיקות FRET. למעשה, כמה aminoacids נוכח מצע פפטיד, כגון מתונין, לעבור חמצון אשר מוביל לירידה ברגישות הכתב. כדי להגדיל את חיי המדף של הכתב (מוערך כשלושה חודשים ב 20 °C (60 °F), הם יכולים להיות מאוחסנים aliquots נפח קטן (1-2 μL) תחת גז אינרטי כגון חנקן או ארגון.
ב CF ומחלות ריאות דלקתיות כרוניות אחרות חשוב לזהות את הדלקת מוקדם ככל האפשר, סמנים ביולוגיים אמינים יש פוטנציאל להשיג מטרה כזו. האפשרות לזהות פעילות NSPs כבול פני השטח, אשר הוכח להזיק לרקמה שמסביב, גם בתנאים שבהם אין או מעט פעילות NE חינם, מוסיף רמה נוספת של מידע בעל ערך, אשר בקושי ניתן להשיג באמצעות שיטות קיימות אחרות4,11.
הכתבים יכולים לשמש כדי ללמוד את הקישור של פעילות NSP הקשורים קרום עם חומרת והתקדמות של מחלת ריאות, במיוחד בתחילתה המוקדמת. השיטות יכולות להיות מנוצלות כדי לפקח על יעילות הטיפול (למשל, טיפולים אנטי דלקתיים או מאפננים CFTR יעיל מאוד potentiators28) ולחקור את השיכוך וכתוצאה מכך של דלקת מונחה נויטרופילים. בנוסף, הפרוטוקולים מבוססים על הליכי מדגם לא פולשניים הנושאים סיכון נמוך מאוד עבור המטופל, ולכן ניתן להשתמש בהם בקנה מידה רחב מאוד ולפתוח את הדלתות ליישומים מרגשים רבים.
The authors have nothing to disclose.
פרויקט זה נתמך על ידי מענקים של משרד החינוך והמחקר הגרמני (FKZ 82DZL004A1 ל M.A.M) וקרן המחקר הגרמנית (SFB-TR84TP B08 ל M.A.M). העבודה המתוארת בכתב יד זה נתמכה על ידי המרכז הגרמני לחקר הריאות (DZL) וה- EMBL היידלברג באמצעות מלגת דוקטורט עבור M.G. אנו מודים לג’יי שאטרני, ס. בוץ ו- H. Scheuermann על סיוע טכני מומחה.
100 µm Nylon cell strainer | Corning Inc. | 431752 | |
2300 EnSpire (Multilabel Plate Reader) | PerkinElmer | ||
35x10mm Dish, Nunclon Delta | Thermo Fisher Scientific | 150318 | |
40 µm Nylon cell strainer | Corning Inc. | 431750 | |
50 mL tubes | Sarstedt | 10535253 | |
7-AAD, viability dye | Bio Legend | 420404 | 5 µL/100 µL |
Balance | OHAUS Instruments (Shanghai) Co., Ltd. | PR124 | |
BD Falcon Round-Bottom Tubes 5 mL | BD Bioscience | 352054 | |
BD LSRFortessa cell analyzer | BD Bioscience | ||
black flat bottom 96 well half area plate | Corning Life Science | 3694 | |
Cathepsin G | Elastin Products Company | SG623 | |
Cathepsin G Inhibitor I | Merck KGaA | 219372 | |
Centrifuge 5418R | Eppendorf AG | EP5401000137 | |
Combitips advanced 1.0 mL | Eppendorf AG | 0030 089 430 | |
cOmplete proteinase inhibitor | Roche | 11697498001 | |
Countig chambers improved Neubauer | Glaswarenfabrik Karl Hecht GmbH & Co KG | 40442 | |
coverslips Ø 25mm | Thermo Fisher Scientific | MENZCB00250RA003 | |
Cytospin 4 | Thermo Fisher Scientific | ||
DRAQ5 (nuclear stain) | BioStatus Limited | DR50050 | 1:10000 |
FACSDiva software, v8.0.1 | BD Bioscience | ||
FcBlock | BD Bioscience | 564219 | |
Fiji (Fiji Is Just ImageJ) | fiji.sc | ||
Flow Jo software, v10 | TreeStar | ||
FluoQ Plugin, v3-97 | |||
Heraeus Megafuge 16R | Thermo Fisher Scientific | ||
Human Sputum Leucocyte Elastase | Elastin Products Company | SE563 | |
Leica SP8 confocal microscope | Leica Microsystems | ||
Mini Rock-Shaker | PEQLAB Biotechnologie GmbH | MR-1 | |
mouse anti-human CD14, Pe-Cy7, clone M5E2 | BD Bioscience | 557742 Lot:8221983 | 1:50 |
mouse anti-human CD16, AF700, clone 3G8 | BD Bioscience | 557820 Lot:8208791 | 1:50 |
mouse anti-human CD45, APC-Cy7, clone 2D1 | BD Bioscience | 557833 Lot:8059688 | 1:33 |
mouse anti-human CD66b, PE/Dazzel 594, clone G10F5 | BioLegend | 305122 Lot:B241921 | 1:50 |
mSAM | in house | 2 mM | |
Multipette plus | Eppendorf AG | ||
NEmo-1 | SiChem | SC-0200 | 1 mM |
NEmo-2E | SiChem | SC-0201 | 2 mM |
Pari Boy SX with an LC Sprint jet nebulizer | Pari | 085G3001 | |
phosphate buffered saline | Gibco | 10010-015 | |
ROTI Histokitt (mounting medium) | Carl Roth GmbH + Co.KG | 6638.1 | |
Salbutamol | Teva GmbH | ||
Sivelestat | Cayman Chemicals | 17779 | |
Sputolysin | Calbiochem | 560000-1SET | |
sSAM | in house | 2 mM | |
SuperFrost Plus Adhesion slides | Thermo Fisher Scientific | 10149870 | |
Trypan Blue solution | Sigma-Aldrich | T8154 |