Burada açıklanan protokoller, nötrofil proteazların insan balgamındaki aktivitesini görselleştirmek ve ölçmek için bir kılavuz sağlar. Bu tür analizlerin uygulamaları anti-enflamatuar tedavilerin değerlendirilmesinden biyobelirteç doğrulamasına, ilaç taramasına ve büyük kohort klinik çalışmalarına kadar yayılmaktadır.
Proteazlar sayısız fizyolojik işlemin düzenleyicileridir ve faaliyetlerinin hassas bir şekilde araştırılması ilgi çekici bir biyomedikal zorluk olmaya devam etmektedir. İnsan genomu tarafından kodlanan ~600 proteaz arasında, nötrofil serine proteazlar (NSP’ ler) solunum yolu hastalıkları da dahil olmak üzere enflamatuar durumların başlangıcında ve ilerlemesinde rol oynadıkları için kapsamlı bir şekilde araştırılmaktadır. Benzersiz olarak, salgılanan NSP’ler sadece hücre dışı sıvılar içinde yayılmakla kalmaz, aynı zamanda plazma membranlarına lokalize olur. Nötrofil hücre dışı tuzak (NET) oluşumu sırasında, NSP’ler salgılanan kromatin ayrılmaz bir parçası haline gelir. Bu tür karmaşık davranışlar, NSP patofizyolojisinin anlaşılmasını zorlu bir görev haline getirir. Burada, balgam örneklerinde serbest ve zara bağlı nötrofil elastaz (NE) ve katepsin G (CG) aktivitelerini görselleştirmek, ölçmek ve ayırt etmek için ayrıntılı protokoller gösterilmiştir. NE ve CG, kistik fibrozis (CF) ve kronik obstrüktif akciğer hastalığının (KOAH) patogenezinde pleiotropik rollere sahip olan NSP’lerdir: doku remodelingini teşvik ederler, aşağı akış immün yanıtlarını düzenlerler ve akciğer hastalığı şiddeti ile ilişkilidirler. Protokoller, sıvı ve hücresel fraksiyonun nasıl ayrıştırılacağının yanı sıra küçük moleküllü Förster rezonans enerji transfer tabanlı (FRET) muhabirler aracılığıyla enzimmatik aktivite nicelemesi için nötrofillerin insan balgamından izole edilmesini göstermektedir. NE ve CG faaliyetlerinin göreceli rolü hakkında özel içgörüler toplamak için, bir FRET okuması farklı teknolojilerle ölçülebilir: i) in vitro plaka okuyucu ölçümleri, proteaz aktivitesinin yüksek verim ve toplu olarak algılanmasına izin verir; ii) konfokal mikroskopi mekanotemporal olarak hücre yüzeyindeki membranla ilişkili aktiviteyi çözen; iii) küçük moleküllü FRET akış sitometrisi, tek hücreli proteaz aktivitesi nicelemesi ve fenotipleme yoluyla antienflamatuar tedavilerin hızlı değerlendirilmesini sağlar. Bu tür yöntemlerin uygulanması, NSP patolojisini ve CF ve KOAH için hastalık şiddetinin biyobelirteçleri olarak potansiyellerini keşfetmenin kapılarını açar. Standardizasyon potansiyelleri, sağlam okumaları ve aktarım basitlikleri göz önüne alındığında, açıklanan teknikler araştırma ve tanı laboratuvarlarında uygulanmak üzere hemen paylaşılabilir.
Nötrofil elastaz (NE), katepsin G (CG), proteinaz 3 (PR3) ve nötrofil serine proteaz 4 (NSP4) dört nötrofil serin proteaz (NSP)1’dir. Miyeoperoksidaz ile birlikte nötrofil birincil veya azurofilik granüller içinde saklanırlar. Yüksek proteolitik içerikleri nedeniyle, birincil granüllerin salgılanması sıkı bir şekilde düzenlenir ve nötrofiller astarlama ve aktifleştirme uyaranları ile ardışık olarak zorlanması gerekir2.
Fagolysozomun içinde, NSP’ler hücre içi bakterisidal ajanlar olarak işlev görür3. Salgılandığında, NSP’ler iltihabın güçlü arabulucuları haline gelir: sitokinleri ve yüzey reseptörlerini ayırırlar, paralel pro-enflamatuar yolları aktive ederler3. Daha da önemlisi, enflamatuar durumlar kontrolsüz bir NSPs salgılanmasına sahiptir. Örneğin, iltihaplı hava yollarında, aşırı NE aktivitesi mukus hipersecretion, kadeh hücreleri metaplazi, CFTR inaktivasyonu ve hücre dışı matris remodeling4,5neden olur. Cathepsin G de inflamasyona katılır: özellikle IL-1 ailesinin iki bileşenini, IL-36α ve IL-36β6’yıayırır ve aktive eder. NE ile birlikte, CG hava yolu epitelinde proteaz ile aktive reseptörleri ayırır ve ayrıca TNF-α ve IL-1β’yi aktive eder.
Alfa-1-antitripsin, alfa-1-antikimyatripsin ve salgı lökosit proteaz inhibitörü gibi endojen anti-proteazlar nötrofil elastaz ve katepsin G aktivitesini düzenler5. Bununla birlikte, akciğer hastalığının ilerlemesi sırasında, proteazların sürekli salgılanması stoichiometrik olarak anti-proteaz kalkanını aşar, hava yollarında çözülmeyen nötrofilere, iltihaplanmanın kötüyelmesine ve doku hasarına yol açar5,7. Hasta hava yollarının çözünür fraksiyonlarında NE konsantrasyonu ve aktivitesinin hastalıkşiddetininumut verici bir biyobelirteci olduğu gösterilmiş olsa da 8 , NE ve CG ayrıca nötrofil plazma zarı ve anti-proteazlar için daha az erişilebilir hale geldikleri elektrostatik etkileşimler9,10 yoluyla hücre dışı DNA ile ilişkilidir. Daha da önemlisi, preklinik çalışmalar hücre yüzeyi ile ilişkili proteaz aktivitesinin çözünür muadili4,11’dendaha erken ve/veya bağımsız olarak göründüğü bir senaryo tanımlamıştır. Aslında, tespit edilebilir hale gelmek için, serbest proteaz aktivitesinin önce anti-proteaz kalkanını bastırması gerekir. Bunun yerine, hücre yüzeyinde, membran bağlı proteaz aktivitesi, büyük inhibitörlerin hücre plazma membranına erişilmemesi nedeniyle en azından kısmen bozulmadan kalır12. Bu tür karmaşık proteaz davranışı nötrofil aracılı inflamasyon başlangıcı ve yayılması üzerinde önemli sonuçlar doğurur ve bu nedenle hassas ve bilgilendirici araçlarla araştırılması gerekir.
Yıllar içinde, Förster rezonans enerji transferi (FRET) tabanlı problar, insan örneklerinde belirli bir proteaz aktivitesini verimli ve hızlı bir şekilde değerlendiren araçlar olarak çok sayıda biyomedikal uygulama buldu13. Proteaz muhabirleri, hedef enzim tarafından tanınan ve bir donör floroforunun enerjiyi bir alıcı moleküle aktardığı fiziksel bir süreç olan FRET’e dayanan bir tanıma motifi (yani bir peptit) oluşur. Enzim tarafından muhabir üzerinde, yani tanıma kısmının bölünmesiyle 2015 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 2018 yılında 20 Bu tür bir okuma kendi kendini normalleştirir ve oranmetriktir, bu nedenle pH ve yerel prob konsantrasyonu gibi çevresel koşullardan sadece marjinal olarak etkilenir. NEmo-114 ve sSAM15, sırasıyla özellikle NE ve CG aktivitesi hakkında rapor veren FRET problarıdır. Bununla birlikte, bu tür muhabirler özellikle herhangi bir hücresel bölmeye yerleşmiyor, bu nedenle insan sıvılarında bulunan proteaz aktivitesini izlemek için kullanılırlar. Proteaz aktivitesini mekansal olarak lokalize bir şekilde izlemek için, biz ve diğerleri moleküler etiketler 14 , 15 , 16 ,17,18,19aracılığıyla hücre altı bileşenlerle ilişkilendiren FRET probları geliştirdik. Böyle sentetik bir strateji, plazma zarını lokalize eden lipid ankrajları ile donatılmış iki FRET probu olan NEmo-2 ve mSAM’ın geliştirilmesine izin verdi. Bu muhabirler kistik fibrozis ve kronik obstrüktif akciğer hastalıklarında NE ve CG proteazlarının daha derin bir şekilde anlaşılmasına neden oldu14,15.
Burada, NEmo ve SAM serisi FRET probları ile insan balgamında çözünür ve membran bağlı NE ve CG faaliyetlerinin görselleştirilmesi ve ölçülmesi için ayrıntılı protokoller sağlanmaktadır. NSP patofizyolojisinin çeşitli yönlerini ele almak ve kullanıcıya özgü ihtiyaca göre sunulabilecek bir dizi yöntem sağlamak için floresan spektroskopi, floresan mikroskopi ve akış sitometrisi ile yapılan analizler gösterilmiştir.
Bildirilen protokoller, insan balgam örneklerinde nötrofil elastaz ve katepsin G’nin aktivitesini ölçmek için farklı yaklaşımları açıklamamaktadır. Başarılı bir enzim aktivitesi ölçümü için kritik noktalar i) operatif prosedürün hassas zamanlaması ve standardizasyonu ve ii) güvenilir negatif ve pozitif kontrollerin kullanılmasıdır. Bu durumlar karşılanırsa, açıklanan yöntemler balgamla sınırlı değildir, aynı zamanda kan, bronkoalveoler lavaj sıvıları ve doku bölümleri veya homojenatlardaki proteaz aktivitesinin analizine kolayca uyarlanabilir.
Üç tekniğin her birinin, genellikle birbirini tamamlayan güçlü ve sınırlamaları vardır. Örneğin, akış sitometrisi nadir hücre popülasyonlarının yanı sıra hücre fenotiplemenin hızlı analizini sağlar, ancak mikroskopi ile elde edilebilen mekansal çözünürlük bilgilerinden yoksundur. Bunun yerine, plaka okuyucu ölçümleri, çeşitli örneklerin veya koşulların yüksek verimli bir şekilde paralel olarak değerlendirilmesine izin sağlar. Taze balgam hücreleri dondurulamadığından ve depolanamadığından, üç yöntem numunelerin balgam sürücüden sonra hızlı bir şekilde işlenmesini gerektirir. Bu, membranla ilişkili aktivite ölçümlerinin esnekliğini veya verimini sınırlar. Prob ilavesi ve enzimatik bölünmeden sonra hücrelerin sabitlenebilen bir akış sitometri protokolünün geliştirilmesi, daha yüksek sayıda tüpün paralel ölçümüne açılacaktır. Ayrıca, FRET problarının taşınmasına ve depolanmasına özellikle dikkat edilmelidir. Aslında, peptit substratında bulunan metiyonin gibi bazı aminoasitler oksidasyona uğrar ve bu da muhabir duyarlılığının azalmasına neden olan bir oksidasyona uğrar. Muhabirin raf ömrünü artırmak için (20 °C’de yaklaşık üç ay olduğu tahmin edilir), Azot veya Argon gibi inert gaz altında küçük hacimli aliquotlarda (1-2 μL) saklanabilirler.
CF ve diğer kronik inflamatuar akciğer hastalıklarında iltihabı mümkün olduğunca erken tespit etmek önemlidir ve güvenilir biyobelirteçler böyle bir hedefe ulaşma potansiyeline sahiptir. Çevredeki doku için zararlı olduğu gösterilen yüzeye bağlı NSP aktivitesini, ayrıca serbest NE aktivitesi olmadığı veya az olduğu durumlarda tespit etme imkanı, mevcut diğeryöntemlerleneredeyse hiç elde edilebilen başka bir değerli bilgi seviyesi ekler 4,11.
Muhabirler, membranla ilişkili NSP aktivitesinin akciğer hastalığının şiddeti ve ilerlemesi ile olan bağlantısını incelemek için kullanılabilir, özellikle erken başlangıcında. Yöntemler, tedavi etkinliğini izlemek (örneğin, antienflamatuar tedaviler veya son derece etkili CFTR modülatörleri ve potentiatörleri28)izlemek ve nötrofil güdümlü iltihabın ortaya çıkan sönümlenliğini araştırmak için kullanılabilir. Ek olarak, protokoller hasta için çok düşük risk taşıyan ve bu nedenle çok geniş ölçekte kullanılabilen ve çok sayıda heyecan verici uygulamaya kapı açabilen non-invaziv örnek prosedürlere dayanmaktadır.
The authors have nothing to disclose.
Bu proje, Alman Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (FKZ 82DZL004A1’den M.A.A.M’a) ve Alman Araştırma Vakfı’ndan (SFB-TR84TP B08’den M.A.M’ye) verilen hibelerle desteklenmiştir. Bu yazıda açıklanan çalışmalar Alman Akciğer Araştırmaları Merkezi (DZL) ve EMBL Heidelberg tarafından M.G. için doktora bursu ile desteklenmiştir. J. Schatterny, S. Butz ve H. Scheuermann’a uzman teknik yardımları için teşekkür ederiz.
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 |