Gedrukte Glycan Array: Een gevoelige techniek voor de analyse van het Repertoire van circulerende anti-koolhydraten antilichamen in kleine dieren
Summary
Dit werk toont het potentieel van gedrukte glycan matrix (PGA) technologie voor de analyse van de circulerende anti-koolhydraten antistoffen bij kleine dieren.
Abstract
Het repertoire van circulerende anti-koolhydraten antilichamen van een bepaalde persoon wordt vaak geassocieerd met de immunologische status. Niet alleen de individuele immuun aandoening bepaalt het succes in de strijd tegen interne en externe potentiële bedreiging signalen, maar ook het bestaan van een bepaald patroon van de circulerende antilichamen anti-glycan (en hun serologische niveau variatie) kan een belangrijke markering van het ontstaan en de progressie van bepaalde pathologische condities. Hier beschrijven we een afgedrukt Glycan Array PGA gebaseerde methodiek die de mogelijkheid biedt voor het meten van honderden glycan doelen met zeer hoge gevoeligheid; met behulp van een minimale hoeveelheid monster, dat een gemeenschappelijke beperking aanwezig wanneer kleine dieren is (ratten, muizen, hamster, enz.) worden gebruikt als modellen aanpak van aspecten van ziekten bij de mens. Als een representatief voorbeeld van deze aanpak tonen wij de resultaten van de analyse van het repertoire van natuurlijke anti-glycan antilichamen in BALB/c muizen. We laten zien dat elke BALB/c muis betrokken in de studie, ondanks het feit dat genetisch identiek en onderhouden onder dezelfde voorwaarden, een bepaald patroon van natuurlijke anti-koolhydraten antilichamen ontwikkelt. Dit werk beweert dat het gebruik van PGA technologie te onderzoeken repertoire (kenmerken) en de niveaus van circulerende antilichamen anti-koolhydraten, zowel in gezondheid en tijdens een pathologische aandoening uit te breiden.
Introduction
Antilichamen spelen een centrale rol in onze verdediging tegen invasie ziekteverwekkers door virussen1,2 en bacteriën2,3, rechtstreeks te neutraliseren door het activeren van de aanvulling systeem4,5 en de versterking van fagocytose6. Bovendien, zijn ze essentiële elementen in kanker targeting en eliminatie van kwaadaardige cellen7en homeostase onderhoud8,9.
Aandoeningen van het immuunsysteem kunnen leiden tot auto-immune en inflammatoire ziekten10 en kanker11. Al deze pathologische voorwaarden ideaal eisen een snelle diagnose voor een efficiënte behandeling. In het geval van auto-immune aandoeningen is de serologische aanwezigheid van autoantilichamen in de meeste gevallen een voorspeller voor diagnose van autoimmuniteit10,12. Deze antistoffen met het celoppervlak reageren en extracellulaire autoantigens en ze zijn vaak aanwezig voor vele jaren voorafgaand aan de indiening van auto-immune ziekte10,12. Immuun tekortkomingen en kanker zijn ook gediagnosticeerd met bloedonderzoek dat ofwel meten van het niveau van immuun elementen zoals antilichamen, of hun functionele activiteit11.
De identificatie van het repertoire van de circulerende antilichamen en serologische kwalificatieniveaus staan om een prognose en evalueren van de voortgang van alle genoemde pathologische voorwaarden. Wij hebben eerder aangetoond dat het potentieel van PGA techniek voor de analyse van de circulerende antilichamen in verschillende diersoorten13–16, minimaliseren van het gebruik van grote hoeveelheden van serologische monsters, het vermijden van het probleem in verband met antilichamen Kruisallergie17 en waardoor high-throughput profilering van een uitgebreid repertoire van antilichamen15.
Glycan gebaseerde immunoassay zijn voornamelijk geconditioneerd, onder andere door de oorsprong en productie van koolhydraten, die de affiniteit en de binding van liganden15,18,19,20 bepalen ,21. Glycan gebaseerde immunoassay kunnen worden ontwikkeld in suspensie (microbolletjes)15,21,22 of flat-geactiveerde oppervlakken15,21,22, 23,24. De laatste omvatten ELISA (de meeste conventionele methoden) en PGA. Er is niet veel gegevens vergelijken deze methodologieën in de dezelfde experimentele instelling15,25,26,27. Wij hebben eerder de werkzaamheid en de selectiviteit van deze immunoassay aan profiel anti-glycan antilichamen in individuele menselijk plasma monsters15vergeleken. Voor sommige antilichamen zoals die gericht op anti-A/B-bloedgroep, alle de immunoassay kon ze detecteren met statistische significantie en ze positief gecorreleerd met elkaar15,18,21. Ondertussen, anti-P1 antilichamen zijn voornamelijk aangetroffen door PGA met het hoogste discriminerende vermogen, en er was geen correlatie in de vaststellingen gedaan door de verschillende glycan gebaseerde immunoassay15,18, 21. deze verschillen tussen methoden werden voornamelijk verband houden met het antilichaam/antigeen verhouding en de glycan geaardheid15. ELISA en schorsing arrays zijn meer vatbaar voor aspecifieke bindende dan PGA, want er een overschrijding van het antigeen van antilichamen in deze methoden15 is. Daarnaast is de richting van glycanen in de PGA beperkter dan in ELISA en schorsing matrices15. ELISA is handig wanneer de studie een beperkte panel van glycanen omvat. Samen met schorsing arrays biedt ELISA bredere flexibiliteit met betrekking tot assay herconfiguratie. PGA is buitengewoon handig voor ontdekking benaderingen15,18,21,28. Ondanks deze duidelijke voor- en nadelen, kunnen de drie genoemde immunoassay worden gebruikt om verschillende aspecten van glycan-antilichaam interactie te bestuderen. Het uiteindelijke doel van de studie is dat de ene begeleidt de selectie van de meer geschikte methode.
Het huidige werk is gericht op het uitbreiden van het gebruik van PGA technologie voor de analyse van het repertoire van circulerende antilichamen van de anti-glycan in kleine dieren. Als een representatief resultaat presenteren we hier een gedetailleerd protocol voor de beoordeling van het repertoire van natuurlijke anti-koolhydraten antilichamen in volwassen BALB/c muizen door PGA.
Protocol
Representative Results
Discussion
Glycan microarrays zijn onmisbare tools voor de studie van eiwit-glycan interacties40geworden. Het huidige werk beschrijft een protocol op basis van PGA technologie te bestuderen van het repertoire van het circuleren van anti-koolhydraten antilichamen in BALB/c muizen. Aangezien PGA de mogelijkheid om de grote aantallen scherm van biologisch onbekende glycanen biedt, is een uitzonderlijk gunstige discovery tool13,15,<sup class="…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de “Fondo de Investigaciones Sanitarias” (FIS) verlenen PI13/01098 van Carlos III Health Institute, Spaanse ministerie van volksgezondheid. DB-G werd geprofiteerd van een positie van de post-doctoraal onderzoek gefinancierd door de Europese Unie zevende kaderprogramma (KP7/2007-2013) onder de Grant overeenkomst 603049 (TRANSLINK). Werk van NK, NS, en NB werd gesteund door toekenning #14-50-00131 van Russische Science Foundation. DB-G wil zijn dank betuigen aan Marta Broto, J. Pablo Salvador en Ana Sanchis voor uitstekende technische bijstand en Alexander Rakitko voor hulp bij de statistische analyse. Met de steun van de “Pla de Doctorats Industrials de la Secretaria d’Universitats ik Recerca del Departament d’Empresa ik Coneixement de la Generalitat de Catalunya (verlenen van nummer 2018 DI 021). Wij danken CERCA programma / Generalitat de Catalunya voor institutionele ondersteuning.
Materials
| Antibodies | |||
| biotinylated goat anti-human Igs | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | Ref. #: 31782 | |
| biotinylated goat anti-mouse IgM + IgG | Thermo Fisher Scientific | Ref. #: 31807 | |
| Equipment | |||
| Robotic Arrayer sciFLEXARRAYER S5 | Scienion AG, Berlin, Germany | http://www.scienion.com/products/sciflexarrayer/ | |
| Stain Tray (slide incubation chamber) | Simport, Beloeil, QC, Canada | Ref. #: M920-2 | |
| Centrifuge | Eppendorf, Hamburg, Germany | Ref. #: 5810 R | |
| Pipettes | Gilson, Middleton, WI, USA | http://www.gilson.com/en/Pipette/ | |
| Slide Scanner | PerkinElmer, Waltham, MA, USA | ScanArray GX Plus | |
| Shaking incubator | Cole-Parmer, Staffordshire, UK | Ref. #: SI50 | |
| Biological samples | |||
| BALB/c mice sera | This paper | N/ A | |
| Complex Immunoglobulin Preparation (CIP) | Immuno-Gem, Moscow, Russia | http://www.biomedservice.ru/price/goods/1/17531 | |
| Chemicals, Reagents and Glycans | |||
| Glycan library | Institute of Bioorganic Chemistry (IBCh), Moscow, Russia | N/ A | |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, | Ref. #: A9418 | |
| Ethanolamine | Sigma-Aldrich | Ref. #: 411000 | |
| Tween-20 | Merck Chemicals & Life Science S.A., Madrid, Spain | Ref. #: 655204 | |
| Phospahte buffered saline (PBS) | VWR International Eurolab S.L, Barcelona, Spain | Ref. #: E404 | |
| Sodium azide | Sigma-Aldrich | Ref. #: S2002 | |
| Streptavidin Alexa Fluor 555 conjugate | Thermo Fisher Scientific | Ref. #: S21381 | |
| Streptavidin Cy5 conjugate | GE Healthcare, Little Chalfont, Buckinghamshire, UK | Ref. #: PA45001 | |
| Materials | |||
| N-hydroxysuccinimide-derivatized glass slides H | Schott-Nexterion, Jena, Germany | Ref. #: 1070936 | |
| Whatman filter paper | Sigma-Aldrich | Ref. #: WHA10347509 | |
| 1.5 mL tubes | Eppendorf | Ref. #: 0030120086 | |
| Software and algorithms | |||
| ScanArray Express Microarray Analysis System | PerkinElmer | http://www.per | |
| kinelmer.com/microarray | |||
| Hierarchical Clustering Explorer application | University of Maryland, MD, USA | http://www.cs.umd.edu/hcil/hce/ | |
References
- Karlsson, G. B., Fouchier, R. A., Phogat, S., Burton, D. R., Sodroski, J., Wyatt, R. T. The challenges of eliciting neutralizing antibodies to HIV-1 and to influenza virus. Nat Rev Microbiol. 6 (2), 143-155 (2008).
- Lu, L. L., Suscovich, T. J., Fortune, S. M., Alter, G. Beyond binding: antibody effector functions in infectious diseases. Nat Rev Immunol. 18 (1), 46-61 (2017).
- Bebbington, C., Yarranton, G. Antibodies for the treatment of bacterial infections: current experience and future prospects. Curr Opin Biotech. 19 (6), 613-619 (2008).
- Murphy, K., Travers, P., Walport, M. The complement system and innate immunity. Janeway’s Immunobiology. , 61-80 (2008).
- Botto, M., Kirschfink, M., Macor, P., Pickering, M. C., Wurzner, R., Tedesco, F. Complement in human diseases: lessons from complement deficiencies. Mol Immunol. 46 (14), 2774-2783 (2009).
- Borrok, M. J., et al. Enhancement of antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity by endowing IgG with FcαRI (CD89) binding. MAbs. 7 (4), 743-751 (2015).
- Weiner, L. M., Murray, J. C., Shuptrine, C. W. Antibody-based immunotherapy of cancer. Cell. 148 (6), 1081-1084 (2012).
- Ricklin, D., Hajishengallis, G., Yang, K., Lambris, J. D. Complement: a key system for immune surveillance and homeostasis. Nat Immunol. 11 (9), 785-797 (2010).
- Prechl, J. A generalized quantitative antibody homeostasis model: antigen saturation, natural antibodies and a quantitative antibody network. Clin Transl Immunology. 6 (2), e131 (2017).
- Vojdani, A. Antibodies as predictors of complex autoimmune diseases. Int J Immunopath Ph. 21 (2), 267-278 (2008).
- Liu, W., Peng, B., Lu, Y., Xu, W., Qian, W., Zhang, J. Y. Autoantibodies to tumor-associated antigens as biomarkers in cancer immunodiagnosis. Autoimmun Rev. 10 (6), 331-335 (2011).
- Suurmond, J., Diamond, B. Autoantibodies in systemic autoimmune diseases: specificity and pathogenicity. J Clin Invest. 125 (6), 2194-2202 (2015).
- Bovin, N., et al. Repertoire of human natural anti-glycan immunoglobulins. Do we have auto-antibodies?. Biochim Biophys Acta. 1820 (9), 1373-1382 (2012).
- de los Rios, M., Criscitiello, M. F., Smider, V. V. Structural and genetic diversity in antibody repertoires from diverse species. Curr Opin Struc Biol. 33, 27-41 (2015).
- Pochechueva, T., et al. Comparison of printed glycan array, suspension array and ELISA in the detection of human anti-glycan antibodies. Glycoconjugate J. 28 (8-9), 507-517 (2011).
- Shilova, N., Navakouski, M., Khasbiullina, N., Blixt, O., Bovin, N. Printed glycan array: antibodies as probed in undiluted serum and effects of dilution. Glycoconjugate J. 29 (2-3), 87-91 (2012).
- Manimala, J. C., Roach, T. A., Li, Z., Gildersleeve, J. C. High-throughput carbohydrate microarray profiling of 27 antibodies demonstrates widespread specificity problems. Glycobiology. 17 (8), 17C-23C (2007).
- Jacob, F., et al. Serum anti-glycan antibody detection of non-mucinous ovarian cancers by using a printed glycan array. Int. J. Cancer. 130 (1), 138-146 (2012).
- Lewallen, D. M., Siler, D., Iyer, S. S. Factors affecting protein-glycan specificity: effect of spacers and incubation time. ChemBioChem. 10 (9), 1486-1489 (2009).
- Oyelaran, O., Li, Q., Farnsworth, D., Gildersleeve, J. C. Microarrays with varying carbohydrate density reveal distinct subpopulations of serum antibodies. J. Proteome Res. 8 (7), 3529-3538 (2009).
- Pochechueva, T. Multiplex suspension array for human anti-carbohydrate antibody profiling. Analyst. 136 (3), 560-569 (2011).
- Chinarev, A. A., Galanina, O. E., Bovin, N. V. Biotinylated multivalent glycoconjugates for surface coating. Methods Mol Biol. 600, 67-78 (2010).
- Huflejt, M. E. Anti-carbohydrate antibodies of normal sera: findings, surprises and challenges. Mol Immunol. 46 (15), 3037-3049 (2009).
- Buchs, J. P., Nydegger, U. E. Development of an ABO-ELISA for the quantitation of human blood group anti-A and anti-B IgM and IgG antibodies. J Immunol Methods. 118 (1), 37-46 (1989).
- de Jager, W., Rijkers, G. T. Solid-phase and bead-based cytokine immunoassay: a comparison. Methods. 38 (4), 294-303 (2006).
- Galanina, O. E., Mecklenburg, M., Nifantiev, N. E., Pazynina, G. V., Bovin, N. V. GlycoChip: multiarray for the study of carbohydrate binding proteins. Lab Chip. 3 (4), 260-265 (2003).
- Willats, W. G., Rasmussen, S. E., Kristensen, T., Mikkelsen, J. D., Knox, J. P. Sugar-coated microarrays: a novel slide surface for the high-throughput analysis of glycans. Proteomics. 2 (12), 1666-1671 (2002).
- Bello-Gil, D., Khasbiullina, N., Shilova, N., Bovin, N., Mañez, R. Repertoire of BALB/c mice natural anti-Carbohydrate antibodies: mice vs. humans difference, and otherness of individual animals. Front Immunol. 8, 1449 (2017).
- Pazynina, G., et al. Synthetic glyco-O-sulfatome for profiling of human natural antibodies. Carbohydr Res. 445, 23-31 (2017).
- Ryzhov, I. M., Korchagina, E. Y., Popova, I. S., Tyrtysh, T. V., Paramonov, A. S., Bovin, N. V. Block synthesis of A (type 2) and B (type 2) tetrasaccharides related to the human ABO blood group system. Carbohydr Res. 430, 59-71 (2016).
- Ryzhov, I. M., et al. Function-spacer-lipid constructs of Lewis and chimeric Lewis/ABH glycans. Synthesis and use in serological studies. Carbohyd Res. 435, 83-96 (2016).
- Pazynina, G. V., Tsygankova, S. V., Sablina, M. A., Paramonov, A. S., Tuzikov, A. B., Bovin, N. V. Stereo- and regio-selective synthesis of spacer armed α2-6 sialooligosaccharides. Mendeleev Commun. 26 (5), 380-382 (2016).
- Pazynina, G. V., Tsygankova, S. V., Sablina, M. A., Paramonov, A. S., Formanovsky, A. A., Bovin, N. V. Synthesis of blood group pentasaccharides ALey, BLey and related tri- and tetrasaccharides. Mendeleev Commun. 26 (2), 103-105 (2016).
- Severov, V. V., Pazynina, G. V., Ovchinnikova, T. V., Bovin, N. V. The synthesis of oligosaccharides containing internal and terminal Galβ1-3GlcNAcβ fragments. Russian J. Bioorgan. Chem. 41 (2), 147-160 (2015).
- Pazynina, G. V., Tsygankova, S. V., Bovin, N. V. Synthesis of glycoprotein N-chain core fragment GlcNAcβ1-4(Fucα1-6)GlcNAc. Mendeleev Commun. 25 (4), 250-251 (2015).
- Solís, D., et al. A guide into glycosciences: How chemistry, biochemistry and biology cooperate to crack the sugar code. Biochim Biophys Acta. 1850 (1), 186-235 (2015).
- Pazynina, G. V., et al. Divergent strategy for the synthesis of α2-3-Linked sialo-oligosaccharide libraries using a Neu5TFA-(α2-3)-Gal building block. Synlett. 24 (02), 226-230 (2013).
- Blixt, O., et al. Printed covalent glycan array for ligand profiling of diverse glycan binding proteins. P Natl Acad Sci USA. 101 (49), 17033-17038 (2004).
- Liu, Y., et al. The minimum information required for a glycomics experiment (MIRAGE) project: improving the standards for reporting glycan microarray-based data. Glycobiology. 27 (4), 280-284 (2017).
- Song, X., Heimburg-Molinaro, J., Cummings, R. D., Smith, D. F. Chemistry of natural glycan microarrays. Curr Opin Chem Biol. 18, 70-77 (2014).
- Hoy, Y. E., et al. Variation in taxonomic composition of the fecal microbiota in an inbred mouse strain across individuals and time. PLoS One. 10 (11), e0142825 (2015).
- D’Argenio, V., Salvatore, F. The role of the gut microbiome in the healthy adult status. Clin Chim Acta. 451 (Pt A), 97-102 (2015).
- Khasbiullina, N. R., Bovin, N. V. Hypotheses of the origin of natural antibodies: a glycobiologist’s opinion. Biochemistry (Mosc). 80 (7), 820-835 (2015).
- Butler, J. E., Sun, J., Weber, P., Navarro, P., Francis, D. Antibody repertoire development in fetal and newborn piglets, III. Colonization of the gastrointestinal tract selectively diversifies the preimmune repertoire in mucosal lymphoid tissues. Immunology. 100 (1), 119-130 (2000).
- Bos, N. A., et al. Serum immunoglobulin levels and naturally occurring antibodies against carbohydrate antigens in germ-free BALB/c mice fed chemically defined ultrafiltered diet. Eur J Immunol. 19 (12), 2335-2339 (1980).
- van der Heijden, P. J., Bianchi, A. T., Heidt, P. J., Stok, W., Bokhout, B. A. Background (spontaneous) immunoglobulin production in the murine small intestine before and after weaning. J Reprod Immunol. 15 (3), 217-227 (1989).
- Krasnova, L., Wong, C. H. Understanding the chemistry and biology of glycosylation with glycan synthesis. Annu Rev Biochem. 85, 599-630 (2016).
- Overkleeft, H. S., Seeberger, P. H., Varki, A. Chemoenzymatic synthesis of glycans and glycoconjugates. Essentials of Glycobiology [Internet]. , 2015-2017 (2017).
