JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

Methoden voor de ontdekking van nieuwe verbindingen moduleren van een Receptor Gamma - aminoboterzuur Typ een transmissie

Published: August 16, 2018
doi:
10.3791/57842
, ,
1Discovery Neuroscience, Pharma Research and Early Development,Roche Innovation Center Basel, 2HiQScreen Sàrl 6

Summary

Hier presenteren we protocollen om te ontdekken van verbindingen actief bij GABAA -receptoren, van de binding aan de Fysiologie en farmacologie.

Abstract

Dit manuscript presenteert een stapsgewijze protocol voor screening verbindingen op gamma-aminobutyric acid Typ een (GABAA)-receptoren en het gebruik ervan naar de identificatie van nieuwe moleculen actief in preklinische testen van een in vitro recombinant receptor de farmacologische effecten op inheemse receptoren in knaagdier hersenen plakjes. De eerste stap is voor verbindingen inbinden op de benzodiazepine-site van de receptor, een primaire scherm dat bestaat uit het ontwikkelen van radioligand binding testen op celmembranen uiting geven aan de belangrijkste subtypen van GABAA instellen. Dan profiteren van de heterologe uitdrukking van knaagdieren en menselijke GABAA -receptoren in Xenopus eicellen of HEK 293 cellen, is het mogelijk om te verkennen, in elektrofysiologische testen, de fysiologische eigenschappen van de verschillende receptoren subtypen en de farmacologische eigenschappen van de geïdentificeerde verbindingen. Het systeem van de oöcyt Xenopus krijgt hier, beginnend met het isolement van de eicellen en hun protocollen met verschillende mRNAs, tot de farmacologische karakterisering met behulp van twee-electrode spanning klemmen. Ten slotte worden opnamen uitgevoerd in knaagdier hersenen plakjes beschreven die worden gebruikt als een secundaire fysiologische test om de activiteiten beoordelen van moleculen op hun inheemse receptoren in een welomschreven neuronale circuit. Extracellulaire opnamen met behulp van bevolking reacties van meerdere neuronen worden gedemonstreerd samen met de toepassing van de drug.

Introduction

Hier presenteren we protocollen voor de ontdekking van actieve verbindingen op GABAA -receptoren, van de binding aan de Fysiologie en farmacologie. In de zoektocht naar nieuwe moleculen specifiek voor GABAA -receptoren, is het cruciaal om te definiëren, zo nauwkeurig mogelijk, het subtype van het belang en de beoordeling van de specificiteit van de onlangs geïdentificeerde stoffen (bijvoorbeeld, voor een overzicht, zie Rudolph en Knoflach1of Sieghart2). Een typische pad drugontdekking en de stappen die moeten worden verwezenlijkt worden geïllustreerd in Figuur 1.

Bindende analyses geweest en zijn nog steeds grotendeels gebruikt als de eerste stap in de Geneesmiddelenontwikkeling. In het geval van GABAA -receptoren, zijn ze geoptimaliseerd voor het identificeren van stoffen die zich binden aan de benzodiazepine bindende site van de receptoren waar therapeutische nuttige en veilige drugs binden. Andere technieken, met behulp van fluorimetrische imaging plaat lezer (FLIPR) membraan potentiële rode kleurstof gebaseerde testen3, detecteert verbindingen zoals barbituraten die zich binden aan extra sites die minder wenselijk vanwege hun ongewenste neveneffect profiel zijn. Daarnaast kunnen de gebruikte kleurstoffen direct GABAA -receptoren, dus vraagtekens bij het nut van deze tests voor drug discovery4activeren. Bindende testen kan alleen bieden het bewijs dat een bepaalde stof aan een specifieke receptor klassebinden kunt. In vitro testen met celmembranen worden gebruikt als aanduiding van selectieve menselijke GABAA α5β3γ2 receptor liganden. Transient transfected HEK293 cellen, uiting geven aan de mens GABAA α5β3γ2, α1β3γ2, α2β3γ2 en α3β3γ2-receptoren worden gebruikt voor het bereiden van membranen voor deze tests. Het effect van de liganden wordt gedetecteerd door het meten van de Scintillatie van [3H] flumazenil gebonden aan het membraan receptoren (een remming van [3H] flumazenil binding). Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat een snelle en efficiënte bepaling van de affiniteit van de compound-binding aan de receptor van belang wordt verstrekt op de receptor van belang.

Functionele studies zijn essentieel om te evalueren van de functionele activiteit van de verbindingen en voor te stellen een fysiologische en farmacologische uitleg van de mechanismen die zijn veroorzaakt door de binding van de stoffen aan de receptoren. Vandaag, is het goed erkende dat functioneleA GABA receptoren uit de vergadering van vijf subeenheden rond een as van pseudosymmetry gevormd door de Ionische porie en het resultaat van de vergadering van vijf identieke subeenheden voortvloeien. Allermeest naar de GABAA -receptoren zijn samengesteld uit twee of meer verschillende subeenheden. De grote hersenen GABAA receptor, bijvoorbeeld, bestaat uit de subeenheden van het β2, alpha1 en γ2 in een stoichiometrie van 1, 2 en 2 respectievelijk5,6. Een reconstructie in een hostsysteem zoals de Xenopus eicellen of HEK293 cellen biedt de mogelijkheid om snel het verkennen van de farmacologische eigenschappen van de receptoren.

De farmacologische eigenschappen van de verbindingen worden vervolgens onderzocht met extracellulaire opnames in hersenen segmenten7. Deze methode maakt een verkenning van het effect van de verbindingen op transmissie en biedt een doeltreffende manier te bevestigen het functionele effecten van de stoffen bepaald in heterologe expressiesystemen op het niveau van inheemse receptoren in de totale neuronale milieu. GABAergic transmissie kan ook worden beoordeeld op het moleculaire niveau door het meten van de effecten van de stoffen op de remmende postsynaptisch stromingen (IPSCs)8. Maar het protocol hier gebruikt en gebaseerd op geheel-cel patch klem opnames in plakjes van de hersenen is uitgebreider en levert een lagere doorvoersnelheid.

Tot slot, de sterke en zwakke punten van de in vitro bevolkingsonderzoek cascade gebruikt voor de identificatie van α5β3γ2-selectieve liganden worden besproken in het perspectief van de verschillende technieken en hun intrinsieke beperkingen. Dit werk moet bieden en de niet-deskundigen op het gebied van GABAA -receptoren een nuttig overzicht van de combinatie van verschillende in vitro benaderingen gebruikt om aan te pakken van de ontdekking van nieuwe modulatoren van deze ligand-gated ionenkanalen.

Protocol

Xenopus laevis zijn ondergebracht en behandeld volgens de richtlijnen van de dieren van het kanton van Genève. 1. Radioligand Binding Voorbereiding van de test-plaat Bereiden van 1,5 L voor assay buffer met 5 mM KCl, 1.25 mM CaCl2, 1.25 mM MgCl2, 120 mM NaCl en 15 mM Tris; Breng de pH met HCl op 7.4. Voorbereiden van de verbindingen te testen op 50.76 µM (bijvoorbeeld, een samengestelde op 10 mM in een 980 µL assay buffer in een microcentrifuge buis 5 µL). Meng ze goed met behulp van een vortex machine op hoge snelheid voor 2 – 5 s. Maak een pre verdunning van de verwijzing samengestelde flumazenil door pipetting 1 µL van de compound (10 mM) te 1,970 µL van assay buffer. Meng ze goed met behulp van een vortex machine op hoge snelheid voor 2 – 5 s. Verdun een [3H] flumazenil stamoplossing waarvan de assay buffer bij 4 ° C tot 4 nM in een polypropyleen tube van 50 mL. Pipeteer 50 µL per putje van assay buffer in de kolommen 1 en 3 / 11 van een 96-Wells-microplate zoals wordt weergegeven in de indeling van de plaat weergegeven in Figuur 2. Pipetteer 73.2 µL van de verbindingen verdund op 50.76 µM (zie stap 1.1.2) in kolom 12 van de plaat. Elke stof, met behulp van een geometrische progressie over 9 stappen verdund (1E-10 – 1E-06 M), met een 23.12 µL overdracht volume en vulling kolommen 3 tot en met 11. Meng de verdunning. Wijzig de tip na elke verdunning. Verdun de celmembranen Ontdooi de membranen van de cel eerder geïsoleerd uit een HEK293 overexpressing mens GABAA receptor (0,025-0,15 mg/mL) ophalen van 80 mL bij kamertemperatuur (RT) en spoel de suspensie aan de assay buffer bij 4 ° C. Resuspendeer de membraan oplossing nog bij 4 ° C met een homogenizer weefsel voor 30 – 40 s bij 10.000-12.000 tpm. Verdunde diazepam voor de controle van de niet-specifieke binding (NSB) Verdun een 4 mM diazepam stamoplossing waarvan de buffer assay tot een concentratie van 40 µM in 5 mL. Start van de reactie Pipeteer 50 µL van 4 nM [3H] flumazenil in elk putje van de 96-wells-plaat en bewaar deze in een container ijswater. Voeg 100 µL van de GABAA receptor subtype membranen bereiding hebben een eiwitconcentratie van 0,5 mg/mL. Pipeteer 50 µL van 40 µM diazepam in kolom 2. Incubeer de plaat gedurende 1 uur op het ijs. Voeg 50 µL van assay buffer in elk putje van de plaat van een 96-Wells-filter voor het latere membraan scheiding en meten van de radioactiviteit en stop de reactie daarna. Zet de reactie stop Bereiden van een buffer wassen met 50 mM Tris-HCl, pH 7.4. Filtreer de oplossing met behulp van een 96-Wells cel maaimachine. Wassen van de plaat 3 x met 300 µL van ijskoude wassen buffer per putje. Zegel van de onderkant van de plaat met een plastic folie en voeg 40 µL van scintillatie cocktail voor vloeibare scintillatietelling tellen in elk goed en veeg het met ethanol 70%. Zachtjes schud de plaat gedurende ten minste 1 uur op RT. Laat het staan voor ten minste een uur op RT. Het meten van de radioactiviteit (in CPM) door het plaatsen van de plaat op een teller scintillatie. Laat een meting voor 3 min per putje. Data-analyse Bepaal dat het gemiddelde voor de 8 repliceert van niet-specifieke binding (NSB) en de totale binding (TB) alsook wat betreft de dubbele of triplicates van de monsters. Bereken het % specifieke band (SB) voor het gemiddelde van elk monster volgens de volgende vergelijking:Hier,totale SB = de gemiddelde TB minus de NSB betekenen. Uitzetten in de abscis de SB % versus in coördineren de Inhibitor van de omwenteling-concentraties. Grootte van de gegevens met behulp van de telpost concurrentie analyse vergelijking:Hier,y = het % van SB,A = het minimum van y,B = de maximale waarde van y,C de IC50, =X = de log-10 van de concentratie van de concurrerende compound,D = de helling van de curve (een Hill coëfficiënt). Berekenen van de bindende affiniteit (Ki) met behulp van de halve maximale remmende concentratie (IC50), de dissociatieconstante (Kd) van [3H] flumazenil op de respectieve membranen9, en de concentratie van [3H] flumazenil in de bepaling van de volgende vergelijking van gegevens-gebruik: 2. receptor expressie en opnamen in Xenopus eicellen Eierstokken oogsten en oöcyt voorbereiding Bereid de steriele Barth-oplossing met 88 mM NaCl, 1 mM KCl, 2.4 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.82 mM MgSO4.7H2O, 0.33 mM Ca (3)2.4H2O en 0,41 mM CaCl2.6H2O, met een pH van 7,4 , aangevuld met 100 eenheid/mL penicilline, 100 µg/mL streptomycine en 0,25 µg/mL amfotericine-B. Bereid het 1 x OR2 medium (geen CaCl2) met 88.5 mM NaCl, 2,5 mM KCl, 5 mM HEPES, 1 mM MgCl2.6H2O, met een pH van 7,4. Offer een Xenopus Laevis vrouwelijke door diepe anesthesie voor 20 min in gekoelde tricaïne methanesulfonate (bij een concentratie van 150 mg/L, aangepast met een pH van 7,4) en natriumbicarbonaat (300 mg/L) gevolgd door onthoofding. Oogst de eierstokken snel met een schone schaar en pincet en plaats ze in 2 petrischalen (10 cm) gevuld met 40 mL 1 x Barth oplossing en antibiotica/antimycotic. Opslaan van de eierstokken niet-losgekoppeld voor maximaal 2 weken in Barth oplossing bij 4 ° C. Voor de dissociatie, snij de eierstokken met een schone scheermesje in kleine breuken (1-2 cm3) en broeden ze in 50 mL en2 medium zonder CaCl2 (en2-noCaCl2) met 0,2% collagenase (Type I) bij 17-19 ° C in een 100 mL-spinner kolf met een langzame agitatie voor 4-5 h. Controleer de magnetische bar is geplaatst ongeveer 3-5 cm boven de bodem van de spinner kolf om te voorkomen dat pletten van de eicellen. Na 4-5 h, controleren dat allermeest naar de eicellen zijn bevrijd van hun follikel (dat wil zeggen, ze zwemmen rond individueel). Ze wassen 5 x met 200 mL en2 aangevuld met 1,8 mM CaCl2. Overdracht van de defolliculated eicellen te petrischalen (10 cm) gevuld met Barth-oplossing en antibiotica/Antimycotica en houd ze tenminste ‘s nachts bij 17 ° C vóór de cDNA of mRNA injectie. Op de volgende dag, selecteren, onder een verrekijker, een gezonde oöcyt presenteren een heldere en duidelijke dierlijke versus een vegetal pole (donkerbruin voor het dier pole versus licht geel voor de vegetal paal). Gebruik schone Pasteur pipetten en gooi de eicellen één voor één in een steriele conische 96-injectie goed plaat.Opmerking: Geen speciale zorg nodig is in de plaatsing van de eicellen voor de mRNA injecties; Overwegende dat voor de cDNA injecties, is het onontbeerlijk om te oriënteren van de eicellen met het dier pool naar boven gericht. mRNA of cDNA automatische injectie Het gebruik van een commercieel beschikbare kit de aanbevolen instucties mRNAs synthetiseren. Reinig de instrumenten en de tabel met RNase en de passende beschermende handschoenen dragen.Opmerking: De kwaliteit van de mRNA is determinant opleveren van een goede uitdrukking, en het is onontbeerlijk om te voorkomen dat mRNA afbraak tijdens de injectie-procedure. CDNAs met behulp van een commercieel beschikbare kit voor te bereiden en het gewenste bedrag in bidistilled water met een concentratie van 0,2 µg/µL los. Injecteren van 10 – 50 nL van mRNA-oplossing bij een concentratie van 0,2 µg/µL, of 10 nL van cDNA oplossing bij een concentratie variërend van 0.02 – 0,2 µg/µL, bij voorkeur in batches van 95 eicellen. Voor membraan eiwitten vereisen meerdere subeenheden (dat wil zeggen, heteromeric α1β2γ2A van de GABA-receptoren), meng de overeenkomstige mRNAs of cDNAs in de gewenste verhouding (dat wil zeggen, 1:1:1 of 1 / 10:1). Houden van de oöcyt bij 17 ° C om te voorkomen dat de expressie van hitteschokprotëinen door de eicellen; Bewaar de microplate in een thermo-gecontroleerde opslaggebied. Ontbinden van de test-verbindingen die werden getest positief in de bindende bepaling in en2 op 0.1 – 1000 µM voor elektrofysiologische opnamen en gooi ze uit in een platte 96-Wells polypropyleen bodemplaat. Plasmiden voor expressie Volg de gebruiksaanwijzing van commercieel beschikbare kits voor de mRNA-synthese met bacteriële T7 of T6 promotoren en maken 20 µL van een oplossing op 0,2 µg/µL in RNase-gratis water. Bereiden ten minste 20 µL van een oplossing met een eukaryote expressie vector voor de cDNA expressie, meestal op 0,2 µg/µL opgelost in bidistilled water. Microinjection in de oöcyt en visualisatie van de kwaliteit Injecteren van 10 – 50 nL van de oplossing met plasmide (zie stap 2.3.1 of 2.3.2) met behulp van een naald van de micro-injectie glas met een tip diameter variërend van maximaal 100 µm gemonteerd op een micromanipulator voorzien van een druk uitwerpen systeem of met een geautomatiseerde injectiesysteem.Opmerking: De hier besproken voorbeeld eicellen worden geïnjecteerd door batches van 95 met een geautomatiseerd systeem geschikt voor gebruik met cDNA of mRNA. Vul de injectie naald met 1 µL van een kleurstof zoals methyleenblauw op 1% en injecteren de eicellen met behulp van de standaard procedure (of in de kern voor cDNA of in het cytoplasma voor mRNA). De geïnjecteerde eicellen gedurende ongeveer 1 min. in kokend water te vervreemden. Snij de eicellen doormidden met een scheermesje onder een verrekijker.Opmerking: De kleurstof blijft gelokaliseerde zoals weergegeven in Figuur 3E, waardoor een nauwkeurige observatie van de injectie. Twee-electrode spanning klem opnames Plaats de goed plaat met de eicellen op het geautomatiseerde systeem, dat werkt volgens het principe geïllustreerd in Figuur 4.Opmerking: In tegenstelling tot de patch klem systeem geïllustreerd in Figuur 5, de ware membraanpotentiaal van de cel wordt gelezen door de spanning elektrode. Het programma van de geautomatiseerde opnamesysteem met behulp van het pictogram gebaseerde interface met, bijvoorbeeld, de regeling geïllustreerd in Figuur 6 voor de bepaling van de concentratie/activiteit-relaties. Curve-fitting Analyseren van de resultaten met behulp van de juiste software, met behulp van de geïllustreerde concentratie activering curve, de huidige amplitude worden uitgezet als functie van de logaritme van de concentratie van de agonist. Houd rekening met de sigmoïdale curve die vervolgens kan worden uitgerust met de empirische vergelijking van de heuvel in de vorm:Hier,Y= de Fractie van evoked stroom,EG 50 = de concentratie voor een 50%-activeren,x = de concentratie van de stof,nH = de Hill coëfficiënt of schijnbare Allosterie. Normaliseren de stromingen tot een eenheid door de amplitude van elke reactie versus de waarde met de hoogste concentratie van de teststof opgenomen te analyseren van de gegevens die zijn verkregen uit een groot aantal cellen verdelen. Bepalen van het gemiddelde en de standaardfouten en beseffen dat de curve-fitting met behulp van bij beschikbare software. 3. elektrofysiologische opnames in hersenen plakjes Opmerking: Hippocampal rat segmenten zijn opgesteld in overeenstemming met de institutionele en nationale richtsnoeren. Voorbereiding van de hippocampus segmenten Voorbereiden van de dissectie kunstmatige cerebro-spinale vloeistof (dACSF) met 124 mM 124 NaCl, 2,5 mM KCl, 1.25 mM KH2PO4, 2 mM MgSO4.7H2O, 2.5 mM CaCl2 2 H2O, 26 mM NaHCO3, 10 mM glucose en 4 mM Saccharose in de fles met een mengsel van 95% O2 en 5% CO2vergast. Voorbereiden van de opname kunstmatige cerebro-spinale vloeistof (rACSF) met 124 mM NaCl, 5 mM KCl, 1.25 mM KH2PO4, 2 mM MgSO4.7H2O, 2.5 mM CaCl2 2 H2O, 25 mM NaHCO3en 10 mM glucose vergast in de fles met een mengsel van 95% O2 en 5% CO2. Anesthetize van de ratten met behulp van een mengsel van 2,5% Isofluraan en zuivere zuurstof en onthoofden hen. De hoofdhuid na de middellijn met een goede schaar te knippen. Snijd de schedel langs de middellijn zonder beschadiging van het onderliggende weefsel. Verwijderen van de schedel met een pincet en gebruik een fijne spatel te schep uit de hersenen. Plaats van de hersenen in de getankte dACSF-oplossing bij RT en ontleden de linker hippocampal formatie met een spatel fijn. Transversale segmenten (400 µm dik) uit het medium deel van de hippocampus gesneden met een chopper weefsel en overbrengen naar de zaal van de opname met het gebruik van een schilderij borstel. Het handhaven van de segmenten op RT voor 45 min. Perfuse van de plakjes met de getankte rACSF bij 35 ° C en met een snelheid van 1,5 mL/min. Bubble de oplossing met een mengeling van 95% O2 en 5% CO2.Opmerking: Na deze stap, de segmenten zijn klaar voor het elektrofysiologische experimenten. Één bevolking spike opname Plaats een plakje van de hersenen in de bedwelmingsruimte Microscoop gemonteerde. Perfuse van het segment met een snelheid van 3 mL/min met rACSF. Trek een micropipet van borosilicaatglas met de pipet-trekker met een weerstand van ~ 2 MΩ.Opmerking: Deze micropipet wordt gebruikt als een opname-elektrode en elektrisch is aangesloten op de versterker. Vul de micropipet met een oplossing die 2 M NaCl en plaats deze in de houder van de Pipet van de versterker. Plaats de micropipet van de opname in het stratum pyramidale CA1 regio van het hippocampal segment met behulp van de juiste micromanipulator.Opmerking: De locatie is schematisch weergegeven in Figuur 7. Plaats een geïsoleerde bipolaire platinum/iridium-elektrode in de houder op de linker micromanipulator.Opmerking: Deze elektrode wordt gebruikt als de stimulatie elektrode en elektrisch is aangesloten op de generator stimulans. Positie de stimulatie-elektrode in de collaterals Schaffer CA1 regio van het hippocampal segment met behulp van de juiste micromanipulator.Opmerking: De locatie is schematisch weergegeven in Figuur 7. Leveren van een huidige puls aan de elektrode van de stimulatie met behulp van de stimulus-generator elke 30 s (100 µs duur, vanaf 10 µA) en verhoog geleidelijk de kracht van de stimulatie tot een piek van de bevolking (PS) wordt weergegeven. Aanpassen van de sterkte van de prikkel om op te roepen een PS overeenkomt met 45% van de maximale amplitude die kan worden verkregen. PSs worden gefilterd op 2,4 KHz en gedigitaliseerd op 20 KHz met behulp van de signaalversterker. Remming van de gepaarde-pulse Voorbereiden van de hersenen segmenten (stap 3.1) en ga verder zoals eerder beschreven (stappen 3.2.1–3.2.7). Twee huidige pulsen (100 µs duur met een interval van 20 ms) te leveren aan de stimulatie elektrode elke 30 s met behulp van de stimulus-generator. De sterkte van de prikkel om op te roepen een PS overeenkomt met 45% van de maximale amplitude instellen. Samengestelde testen Verdunningen van de stoffen worden getest in vergast ACSF maken zodat de uiteindelijke concentratie van DMSO niet hoger dan 0,1%. DMSO aan de controle-oplossing bij dezelfde concentratie dan die in de samengestelde oplossing toevoegen. Opnemen van een honkslag (stap 3.2) of een gekoppeld-pulse (stap 3.3) PS opgeroepen door Schaffer collateral stimulaties elke 30 s voor ten minste 30 min. De PS-shape moet stabiel zijn gedurende deze periode van de basislijn. Bereiden een bekerglas met vergast rACSF met een vaste concentratie van de stof worden getest. Perfuse van de hippocampal segment met deze oplossing nog steeds terwijl de PS. één of gekoppeld-pulse Het herstel van het samengestelde effect door het segment met vergast rACSF zonder de compound zoogdierlevercellen evalueren.Opmerking: Voor omkeerbare effecten, de PS keert terug naar zijn oorspronkelijke vorm opgemerkt tijdens de periode van de basislijn voor de samengestelde toepassing. Data-analyse Gemiddelde de PS sporen opgenomen tijdens het experiment in blokken van 4 gebruik van de software van de analyse van de gegevens. Het meten van de PS amplitudes van de gemiddelde sporen. Normaliseren de amplitudes als een percentage van de basislijnwaarden 10 min voordat een samengestelde zoogdierlevercellen opgenomen. Express-de gegevens zoals bedoel ± SEM.

Representative Results

Binding:De in vitro -assay met celmembranen wordt gebruikt voor het identificeren van selectieve menselijke GABAA α5β3γ2 receptor liganden inbinden op de allosteric site van BZD van de γ2 met receptoren. Transient transfected HEK293 cellen, uiting geven aan de mens GABAA α5β3γ2, α1β3γ2, α2β3γ2 en α3β3γ2-receptoren worden gebruikt ter voorbereiding van de membranen van deze test. Het effect van de potentiële liganden wordt gedetecteerd door het meten van de Scintillatie van [3H] flumazenil gebonden aan het membraan receptoren (een remming van [3H] flumazenil binding). Verplaatsing bindende curven worden vervolgens gegenereerd voor de beoordeling van de selectiviteit van de verbindingen voor een specifieke GABAA receptor zoals in het voorbeeld met RO4938581 (Figuur 8). Figuur 9 wordt een overzicht gegeven van het profiel van meerdere referentiestoffen met inbegrip van die van de α5 selectieve GABAA receptor negatieve allosteric modulator, RO49385819, die waren gegenereerd met behulp van de bindende bepaling. Opnamen in Xenopus eicellen:De expressie van GABAA receptoren zoals de α5β3γ2 heteromer levert robuuste stromingen in reactie op blootstelling van GABA. Typische spanning klem opnames verkregen in een uiting van de menselijke α5β3γ2 in reactie op korte pulsen van GABA oöcyt (30 s) variërend van maximaal 300 µM worden weergegeven in Figuur 6. In dit experiment de verschillende concentraties van GABA werden afgezet in de 96-wells-plaat en de reacties waren opgeroepen door de cel in een specifieke goed te bewegen. Het GABA werd grondig gewassen door de cel terug te keren naar de centrale perfusie-kamer en een perfusie van control-oplossing toe te passen door het activeren van de overeenkomstige peristaltische pomp. De volgorde van de programma gebruikt voor de bepaling van de concentratie activering curve wordt geïllustreerd in Figuur 6A. Volledig automatisch uitgevoerd, deze gegevens illustreren zowel de kwaliteit van de opnamen dat kan worden verkregen in Xenopus eicellen en het hoge niveau van receptor expressie verkregen een paar dagen na de injectie van mRNA. De experimenten, uitgevoerd op verschillende receptor combinaties, opbrengst een reeks EG50s, die de concentratie van GABA moet de helft van de receptoren te activeren. Een plot van de EG50’s waarden op de grafiek van een spin, biedt zoals geïllustreerd in Figuur 10, een snelle vergelijking van de eigenschappen van de receptor en de invloed van de samenstelling van de subeenheid. Onderzoek naar het effect van een negatief of positief allosteric modulator (NAM of PAM), is het noodzakelijk om te vergelijken de reactie opgeroepen door een agonist (GABA) test puls, eerst in het besturingselement, en vervolgens in aanwezigheid van de modulator. Een efficiënte experimenteel protocol uit te voeren van een dergelijk experiment wordt geïllustreerd in Figuur 11. De reactie van de cel tot een concentratie van de verwijzing van GABA wordt eerst bepaald en de volgorde wordt herhaald door het toepassen van dezelfde GABA concentratie en vervolgens door een mede-toepassing van de GABA plus de modulator. Een complot van de twee bovenliggende reacties blijkt in dit voorbeeld een duidelijke remming veroorzaakt door de aanwezigheid van de modulator. Een kwantificering van het effect van de modulator is gemakkelijk verkregen door het berekenen van de verhouding van de reactie opgeroepen in aanwezigheid van de modulator ten opzichte van de controle en de resultaten kunnen worden uitgezet in de vorm van een complot van de warmte. De gegevens die worden weergegeven in Figuur 12 illustreren de plot van de serie overeenkomt met de opnames van drie datasets verkregen voor 96 verbindingen. Na de identificatie van stoffen die onvoldoende actief zijn, is het vaak onmisbaar om te beoordelen of deze moleculen actief op andere combinaties van de receptor zijn. In het geval van de GABAA receptor, 19 genen coderend voor verschillende subeenheden geïdentificeerd zijn, en het is bekend dat een functionele receptor leiden een vergadering van de multimeric van verschillende subeenheden tot kan (Zie Knoflach, Hernandez en Bertrand10 voor een recensie). Hoewel de meerdere combinaties en subeenheden opbrengst een groot repertoire van receptor subtypes die wellicht een groot aantal teller screening moet worden uitgevoerd, is het vaak mogelijk om de focus eerst op de meest voorkomende subtype die, in het geval van de GABAA receptoren, is de samenstelling van de α1β2γ2. Experimenten hoofd tot hoofd met de uitdrukking van, bijvoorbeeld, α5β3γ2 en α1β2γ2 in dezelfde batch van de oöcyt opleveren een goede vergelijking van de respectieve effecten van een bepaalde molecule. De typische resultaten in drie cellen voor α5β3γ2 en α1β2γ2 zijn afgebeeld in Figuur 13, die de preferentiële positieve modulatie van één molecuul op α5β3γ2 illustreert. Het experimentele protocol geïllustreerd in Figuur 11 is geschikt voor de karakterisatie van een PAM-activiteit. In dit protocol is de verbinding die wordt getest mede toegepast met de agonist op de geleidelijk toenemende concentraties. Om te voorkomen dat de mogelijke cumulatieve effecten veroorzaakt door meerdere toepassingen op dezelfde cel, wordt een nieuwe en naïef cel voor elk gegevenspunt gemeten. Een meting van de amplitude van de reactie met de agonist alleen opgenomen en vervolgens tijdens de samengestelde toepassing levert een ratio die de PAM of NAM effect kwantificeert. Typische resultaten die zijn verkregen bij α1β2γ2 en α5β3γ2 voor diazepam worden weergegeven in Figuur 14, onthullen een schijnbare gevoeligheid van de α5β3γ2 die ongeveer 10-fold hoger is bij de combinatie van deze receptor. Deze waarden zijn in goede correlatie met gepubliceerde gegevens11. Als men denkt dat de benzodiazepine-site wordt gevormd door de interface tussen de γ2 en de aangrenzende α subeenheid12-14, stelt de gevoeligheid van de α5β3γ2 een preferentiële diazepam affiniteit voor γ2-α5 over γ2-alpha1. De mogelijkheid om verschillende receptor combinaties gecombineerd met een efficiënt functionele karakterisering express opent meerdere manieren om te verkennen van de determinanten van de PAM-eigenschappen en hun gevolgen voor de fysiologische en farmacologische effecten. Hippocampal hersenen segmenten:De experimenten met rat hippocampal hersenen segmenten worden uitgevoerd voor het valideren van het farmacologisch profiel van de stoffen die zijn geïdentificeerd in in vitro testen in een inheemse receptor-model. De overheersende GABAA receptor subtypes, uitgedrukt in de piramidale cellen van de hippocampus zijn α1β2/3γ2 α2β2/3γ2 en α5β2/3γ2, die alle door gemoduleerd worden benzodiazepine (BDZs)15. Remming van de gepaarde-pulse is een paradigma dat hippocampal circuit prikkelbaarheid onthullen kan door het testen van de verandering in de reactie van de tweede van twee gepaarde elektrische stimuli 20 ms apart geleverd. De wijziging van de tweede reactie is te wijten aan GABAergic feedback door interneuronen innervating de piramidale cel laag16-18. Zoals aangegeven in Figuur 7, in de situatie van de controle, wordt het tweede antwoord van twee gepaarde stimuli geremd door een inhibitie van de GABAergic. Wanneer deze remming wordt verminderd door het segment met β-CCM zoogdierlevercellen, wordt een niet-selectieve NAM, het tweede antwoord van de twee gepaarde stimuli geremd in veel mindere mate. Dit experimentele paradigma is gevoelig voor verbindingen selectief voor een GABAA receptor met de α5 subeenheid. Figuur 1 : Screening strategie. Een typische drug screening traject begint met de high-throughput screening waarin grote bibliotheken van verbindingen worden gescreend voor een specifieke doelgroep. Na de identificatie van de lood-kandidaat begint het werk van medicinale chemie. Tijdens deze fase, chemici zal bestuderen en verfijnen van de moleculen door het uitvoeren van een structurele wijziging om te voldoen aan de gewenste criteria, zoals target selectiviteit, stabiliteit, hersenen doordringendheid afbraak etc. tijdens deze cruciale fase is het van essentieel om te beoordelen of de chemische wijzigingen hebben niet veranderd de eigenschappen van de molecule en te verfijnen voor de beste kandidaat. De volgende stap is het identificeren van enkele veelbelovende verbindingen en breng ze naar de volgende stappen, waaronder veiligheid, tolerantie, etc. opmerking dat electrofysiologie is aangegeven dat de functionele assay maar dat andere methoden, waaronder calcium fluorescentie testen of spanning gevoelige kleurstoffen, kan worden gebruikt als alternatieven. Deze laatste methoden worden ook gebruikt in high-throughput assays als een vervanging voor bindende analyses. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2 : Lay-out van een 96-Wells vergulde gebruikt voor het binden van experimenten. Kolom 1 wordt gebruikt voor metingen van de totale bindende en kolom 2 voor niet-specifieke binding metingen. Rijen A-H zijn gevuld met 4 verschillende verbindingen in toenemende concentraties (kolommen 3 tot en met 12), elke samengestelde dubbele (dat wil zeggen, samengestelde 1 in rijen A en E, samengestelde 2 in rijen B en F, etc.) vertegenwoordigd in de lay-out met verschillende kleuren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 3 : Met behulp van een geautomatiseerd systeem microinjection. (A) A nauwkeurige XYZ systeem, waarin een glazen injectie naald gevuld met de vloeistof met de plasmide van belang, is automatisch stak in de eicellen. (B) dit paneel toont de 96-Wells conische-bodemplaat welke (C) de eicellen worden automatisch geïnjecteerd. (D) dit paneel illustreert het beginsel van de injectie. Voor de nucleaire injectie dringt de naald de oöcyt iets dieper dan de kern, zoals wordt weergegeven in het deelvenster B. Vervolgens de naald uit de kern wordt genomen (zie paneel C) vóór de injectie (zie paneel D). (E) te beoordelen van de kwaliteit van de injectie, de naald kan gevuld worden met een kleurstof en eicellen “gekookt” kunnen worden gesneden in de helft. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4 : De geautomatiseerde twee spanning-clamp elektrode beginsel. Het principe berust op de voorbereiding verplaatsen tussen putten in plaats van het toepassen van de vloeistof in de perfusie. (A) de linkerzijde van het deelvenster vertegenwoordigt de regeling waardoor de opname in een Xenopus oöcyt met de twee elektroden en de kleine mand die voor een vloeibare droplet rond de voorbereiding tijdens de beweging van één monster zorgt naar de andere. Een foto van de oöcyt in de mand met de twee elektroden geplaatst wordt weergegeven aan de rechterkant. (B) dit paneel een schematische voorstelling afgebeeld van de “ondersteboven” electrofysiologie opname principe. (C) dit paneel toont de vernietiging van de oöcyt, samengestelde plaat en wash station op de tafel van de opname. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 5 : Twee-electrode spanning klem opname versus patch-clamp. Een typische twee-electrode spanning klem opname voor eicellen (linkerdeel) wordt vergeleken met de patch klem configuratie gebruikt voor een cellijn (rechtervenster). Let op het verschil in grootte tussen de eicellen die zijn ongeveer 1 mm in diameter versus de cellen die ongeveer 20 µm zijn. In de twee-electrode spanning klem, het membraanpotentiaal van de oöcyt wordt vergeleken met de gewenste bedrijf spanning en het signaal verschil wordt geïnjecteerd in de huidige elektrode. In een patch klem opname, wordt ervan uitgegaan dat de weerstand van de patch klem elektrode te verwaarlozen ten opzichte van het membraan verzet is en, derhalve, dat de spanning opgelegd door de versterker getrouw wordt gevoed aan de celmembraan19. De foto illustreert een vloeibare gloeidraad perfusie waarin de twee kanalen van een theta buis () worden gevuld met aan de ene kant, een control-oplossing en, anderzijds, met de oplossing die de drug20,21. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6 : Concentratie activering relatie op de receptoren van de menselijke α5β3γ2. (A) de volgorde controleren van het geautomatiseerde systeem bestaat uit een reeks van pictogrammen en de experimentele protocol voor de bepaling van de concentratie activering relatie ingesteld. In stappen 1-3, zoals in dit paneel laadt het systeem de oöcyt van de plaat in de meet mand. De huidige lek wordt gemeten in stap 2, en deze waarde moet hoger zijn dan de gewenste criteria, de cel wordt automatisch gewijzigd (stap 3). Na een periode van stabilisatie (stap 4) is de oöcyt reactie op een verwijzing GABA concentratie gemeten (stap 5-8). Eicellen stromingen groter is dan 1 µA weergeven worden bewaard voor de latere waardering. De cel wordt uitgedaagd door verschillende concentraties van GABAA in stap 11-13, en het proces herhaalt zich voor het gewenste aantal concentraties (step 14) en cellen (stap 15). (B) dit paneel toont de typische stromingen opgeroepen door een reeks van korte GABA toepassingen (30 s) toegepast in toenemende volgorde. De timing van de samengestelde toepassing wordt aangegeven door de tralies. (C) A plot van de huidige piek binnenwaarts als een functie van de logaritme van de concentratie van GABA levert de concentratie activering curve die gemakkelijk door de empirische vergelijking van de heuvel, met een doorlopende curve, een EG-50 op ongeveer 11 µM en een heuvel is gemonteerd coëfficiënt van 1.3. Stromingen in 8 cellen opgenomen werden genormaliseerd naar een eenheid voor de maximale evoked respons. De staven geven de standaardfout van het gemiddelde. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 7 : Β-CCM, een GABAA NAM vermindert gekoppeld-pulse remming in hippocampal plakjes. (A) dit deelvenster ziet u een schematische voorstelling van een rat hippocampal segment. De Schaffer collaterals (Sch C) afkomstig uit het CA3 piramidale cel axonen project op de dendritische arborization van de CA1 piramidale neuronen. Micropipetten werden geplaatst in de stratum pyramidale (str pyramidale) opnemen van bevolking spikes (PS) en in de stratum radiatum (str radiatum) voor dendritische opnames van veld excitatory postsynaptisch potentieel (epsp). De elektrode stimulatie was geplaatst in de collaterals Schaffer. (B) dit paneel toont PSs opgeroepen door gepaarde stimuli toegepast via de dezelfde stimulerende elektrode met een interval van 20 ms. De reactie van de bevolking op de tweede prikkel (PS2) is van kleinere amplitude dan die van het antwoord op de eerste prikkel (PS1). (C) PSs werden geregistreerd in de afwezigheid (zwarte balk) en de aanwezigheid van β-CCM, een niet-selectieve GABAA receptor NAM (groene balk). Β-CCM versterkt de amplitude van de tweede PS2 door gedeeltelijk blokkeren van elke feed-forward GABAergic inhibitie. De staven geven de standaardfout van het gemiddelde en *** dat gegevens zeer belangrijk met een p zijn < 0,01. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 8: typische bindende resultaten verkregen in een concurrerende assay (remming of verplaatsing). Verplaatsing bindende curven worden gegenereerd uit die de IC50 en de Ki kan worden bepaald. IC50 is de concentratie van een concurrerende ligand die 50% van de specifieke binding van de radioligand verdringt en Ki (de remming constante voor een drug) is de concentratie van een concurrerende ligand die zou 50% van de receptoren bezetten als geen radioligand waren aanwezig. Het Ki wordt berekend uit de IC-50 met behulp van de vergelijking van Cheng-Prusoff:Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 9 : Concurrerende verplaatsing bindend werd uitgevoerd met liganden inbinden op de grote GABAA receptor subtypes. Affiniteit (nM) werden gemeten met behulp van een [3H] flumazenil-bindende bepaling en membranen van HEK293 cellen transfected Transient met verschillende menselijke GABAA receptor subeenheid combinaties. De vertegenwoordiging van het histogram illustreert duidelijk de differentiële gevoeligheid voor de samengestelde RO493851 met het laagste Ki aan de α5β3γ2-receptoren waargenomen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 10 : Differentiële GABA gevoeligheid van de receptoren. Een complot van de receptor GABA EG50 op een perceel van spin en een vertegenwoordiging van de vermeende subeenheid samenstelling bieden efficiënte manieren om te vergelijken van de rol van de verschillende subeenheden. Let erop dat de invoering van de subeenheden γ2 geassocieerd met een vermindering in de gevoeligheid van de receptor is. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 11 : Het effect van een modulator probing. (A) dit deelvenster ziet u de volgorde van de pictogram gebruikt voor het beheersen van het geautomatiseerde systeem. Merk op dat de twee pictogrammen (A/D) met de opname in het besturingselement (groen) en tijdens de modulator blootstelling (rood overeenstemmen). (B) dit paneel toont de typische stromingen vastgelegd in een cel de GABAA receptor uitdrukken tijdens een dergelijke reeks. Om de effecten van een modulator, werd een opeenvolging van meten eerst de reactie opgeroepen door de blootstelling aan een vaste concentratie van GABA (groene trace), gevolgd door de blootstelling eerst aan GABA en vervolgens op GABA plus de modulator (rode trace), uitgevoerd. Positionering van het draadkruis cursors (cyaan en blauw) bakent de metingen, en het blauwe kruis geeft aan dat het maximale verschil tussen de twee voorwaarden van de opname. De verhouding tussen de controle- en modulator voorwaarde wordt automatisch berekend in de analysesoftware. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 12 : Hitte perceel met drie replicatieonderzoeken. Dit paneel toont een plot van de serie overeenkomt met drie replicatieonderzoeken modulator effecten verkregen voor 96 stoffen op de menselijke α5β3γ2A van de GABA-receptoren. De verhoudingen van het antwoord van de test boven het besturingselement variërend tussen 0,5 en 1.2 werden beschouwd als niet significant verschillend van het besturingselement en worden vertegenwoordigd door een groene stip. Ratio’s onder 0,5 werden beschouwd als een remmende werking en worden vertegenwoordigd door de blauwe stippen. Ratio’s boven 1.2 werden beschouwd als de verbetering van de respons en worden vertegenwoordigd door rode stippen. Opmerking de similitude in patroon tussen de drie onafhankelijke opnames. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 13 : Counter screening op α1β2γ2. (A) dit paneel toont een vertegenwoordiging van de organisatie van een vermeende subeenheid. De volgende panelen Toon (B-D) een evaluatie van de gevolgen van een positieve allosteric modulator op de menselijke α5β3γ2 en (F-H) op α1β2γ2, met behulp van vergelijkbare concentraties van GABA en vergelijkbare concentraties (100 µM) van de modulator, die wijzen op het specifieke karakter van de compound getest in deze experimenten. (E) dit paneel toont ook een voorstelling van een vermeende subeenheid organisatie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 14 : PAM gevoeligheid en receptor samenstelling. De bepaling van de gevolgen van een reeks concentraties van diazepam effecten (A-D) op α1β2γ2 enE-Hα5β3γ2-receptoren onthult bijna een 10-fold verschil in schijnbare affiniteit. Merk ook op de invloed van de samenstelling van de subeenheid op de response tijd cursus met een snellere desensibilisatie op α1β2γ2-receptoren (zie, bijvoorbeeld, panelen D en H). Merk op dat als de α1β2γ2 en α5β3γ2 receptoren display verschillende affiniteiten voor GABA (Zie ook Figuur 10), de concentratie van de agonist was aangepast tussen de twee receptoren te worden in een vergelijkbare activering bereik. (I) dit paneel vertegenwoordigt een complot van de vouw toename van een huidige amplitude genormaliseerd naar eenheid ten opzichte van de voorwaarde van controle. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 15 : Expressie plasmide inclusief T7 en CMV promotor. Deze panelen tonen de plasmide voor de expressie in een Xenopus oöcyt (bovenste rechter paneel) en in de cellijn van een. De onderste juiste paneel illustreert een typische HEK-293 cel transfected met een plasmide met ook het gen voor een groen fluorescente proteïne (GFP) met de opname van de patch-clamp-elektrode. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

De ontwikkeling van nieuwe verbindingen actief bij een ligand-gated ionkanaal zoals de GABAA -receptoren vereist het gebruik van meerdere benaderingen. Typisch, de eerste stap is vaak uitgevoerd met gebruikmaking van bindende analyses; deze metingen zijn echter onvoldoende om te karakteriseren de fysiologische activiteit van de stof of de precieze farmacologie. In het bijzonder, een verbinding die zich aan een receptor bindt kan verbeteren of remmen zijn functie of zelfs produceren geen functioneel effect (be silent) (d.w.z., binding aan de receptor zonder wijziging van zijn functie). Een functionele test is dus vereist voor een volledige samengestelde karakterisering.

Bindende testen:
Het belangrijkste voordeel van de bindende bepaling is dat ze efficiënt kan worden uitgevoerd op een groot aantal monsters variërend tot duizenden en bevat het bindende affiniteiten voor de actieve moleculen. Zoals hierin beschreven, bestaat de eerste stap uit het opzetten van een methode voor de beoordeling van de gewenste receptor subtypes. Namelijk, terwijl bindende kan worden uitgevoerd op inheemse receptoren van breuken of hele hersenen, deze methode voorkomt u dat de bepaling van de affiniteiten op specifieke receptor subtypes. Daarom is het noodzakelijk gebruik van recombinante systemen om scherm moleculen op de gewenste doelgroep. Tegenwoordig, biedt een voorbijgaande of stabiele transfectie van de gewenste receptor subeenheid cDNAs in cellijnen een efficiënte en betrouwbare methode om uit te drukken de receptor subtypes van belang (b.v., GABAA α5β3γ2). Traditionele binding testen maken gebruik van radioligands, maar tegenwoordig technieken zijn beschikbaar die voorkomen dat het ongemak van het verwerken van radioactiviteit (bv, kwantitatieve fluorescentie gebaseerde ligand-bindende).

Functionele expressie in een hostsysteem:
Om uit te drukken genen in een hostsysteem, moet de codering opeenvolging van belang worden ingevoegd in een plasmide waarin de voldoende promotoren. Meestal voor in vitro mRNA-synthese, worden de bacteriële T7 of T6 promotors gebruikt. Voor een cDNA expressie, moet de transcriptie van het gen van belang door de promotor van een eukaryote zoals CMV (cytomegalovirus) of gelijkwaardig worden geregeld. Verschillende plasmiden, met inbegrip van de twee promotoren (dat wil zeggen, pUNIV, pCMV-6AC, psf-CMV/T7, pCI-neo, pcDNA), zijn tegenwoordig beschikbaar waardoor een in vitro -synthese van mRNA of een cDNA expressie zoals weergegeven in Figuur 15. Een uitdrukking van de GABAA -receptoren kan getrouw worden verkregen cellijnen of in Xenopus eicellen. De belangrijkste voordelen van de laatste zijn het ontbreken van een endogene receptor expressie, de eenvoud van de manipulaties en de beschikbaarheid van een geautomatiseerd systeem voor micro-injecties en opnames. De in dit protocol beschreven procedures illustreren de efficiëntie van het geautomatiseerde systeem waardoor de injectie van 96 eicellen in ongeveer 7 minuten en vereist geen micromanipulation vaardigheden. Herinneren dat een één eierstok uit een Xenopus tussen de 10.000 tot 30.000 eicellen bevat, is het duidelijk dat een groot aantal metingen van de cel kan worden uitgevoerd op een enkele voorbereiding. Bovendien, als een expressie kan worden uitgevoerd met gebruikmaking van cDNA injecties, de dezelfde plasmiden met de genen van belang die zijn ontwikkeld voor de bindende experimenten kunnen worden gebruikt voor een functionele karakterisering zonder de behoefte aan verdere moleculaire biologie manipulaties.

Gezien de grote omvang en hoge oppervlakte expressie, levert een enkele oöcyt een aantal receptoren die ongeveer gelijk is aan de confluente cellen in een 35 mm petrischaal. Echter vertegenwoordigt een eicellen voorbereiding en injectie een fractie van de kosten van een cellijn, zoals de experimenten niet nodig een specifieke kweekmedium en steriele manipulaties. De activering van een enkellijns GABAA levert een paar picoamperes (10-12) en stromingen variërend tot tientallen microampere (10-6) zijn gemakkelijk opgenomen in een enkele oöcyt, die de gelijktijdige activiteit van miljoenen bevestigt receptoren tijdens één antwoord.

Een eerste stap in de karakterisering van ligand-gated ionenkanalen is vaak de bepaling van de schijnbare affiniteit voor de receptoren. De experimenten die behoeft te worden uitgevoerd bestaat uit het toepassen van een reeks van korte agonist test pulsen en uitzetten van de amplitude van de evoked huidige of, in bepaalde gevallen, het gebied onder de curve (AUC) als een functie van de logaritme van de concentratie van de agonist. Aangezien het gemakkelijk haalbaar is om te microinject verschillende plasmide concentratie en verhouding in dezelfde batch van eicellen, is dit systeem van meningsuiting met name geschikt voor een dergelijke karakterisering. Bovendien, een-charges-vergelijking toonde een hoge mate van stabiliteit voor verschillende EG50s. De invloed van de samenstelling van de subeenheid op de receptor van schijnbare affiniteit is gemakkelijk gevisualiseerd met behulp van een spin perceel, zoals in Figuur 10.

De resultaten van de klem van de twee-electrode spanning verkregen in Xenopus eicellen worden vaak vergeleken met opnames gemaakt met behulp van patch klem elektroden. Overwegende dat het zou gaan buiten het bestek van dit werk te gaan van een gedetailleerde vergelijking tussen deze twee systemen, kunnen een paar punten worden onderzocht. Terwijl een patch-clamp in cellen voordelen voor een biofysische karakterisering met een snelle drug toepassing biedt, zijn de eisen complexer dan die van de opnamen van de twee-elektrode in Xenopus eicellen. Een eerste en niet te verwaarlozen moeilijkheid is de uitdrukking van een bepaald eiwit met de noodzaak van een cultuur van de cel, een voorbijgaande of stabiele transfectie, en de identificatie van de cellen die de gewenste construct uiten. Daarnaast is het onmisbaar zijn voor het onderzoeken van de mogelijke bijdrage van de endogene expressie in de cel beschouwd. Bovendien vereist de opname van een patch klem een bekwaam persoon uit te voeren van de micromanipulation onder een Microscoop high-vergroting, terwijl die persoon ook een adequate analyse uitvoeren tijdens het experiment moet te beoordelen, bijvoorbeeld de kwaliteit van de zegel, de toegang weerstand etc. In contrast, een twee-electrode spanning klem opnemen, met name een met behulp van een geautomatiseerd elektrofysiologische systeem, vereist geen geen specifieke vaardigheden en kan worden uitgevoerd door laboranten.

Bij de aankoop van een elektrofysiologische set-up, is kosten overweging zeker een belangrijke factor die moet zorgvuldig worden geanalyseerd. Bijvoorbeeld, terwijl de kosten van een geautomatiseerd systeem relatief hoog is, blijkt een nauwere vergelijking dat de installatie van een volledige elektrofysiologische tuig omvat kopen apparatuur zoals goede micromanipulators, een verrekijker lens, een versterker, een perfusie systeem, en een anti-trillingen tafel, terwijl ook het verwerven van gegevens en het uitvoeren van een analyse. Een vergelijking van de kosten tussen een twee-electrode spanning klem set-up versus een patch klem set-up blijkt nog verschillen. Bovendien, het geautomatiseerde systeem biedt het voordeel van volledig geautomatiseerde apparatuur en dag en nacht zonder toezicht uitgevoerd.

De farmacologische eigenschappen van een stof worden bepaald door de wijze van optreden op de receptor. Bijvoorbeeld, zijn concurrerende remmers moleculen die kunnen worden ingevoerd de dezelfde bindende zak, of orthosteric de site, zoals de agonist zelf een competitie veroorzaakt. Niet-concurrerende remmers zijn stoffen die een remmende werking van de receptoren door interactie op een andere site en, in het geval van een ligand-gated ionkanaal, die kunnen worden ingevoerd en blokkeren de Ionische porie, bijvoorbeeld. Het zou gaan buiten het bestek van dit werk te onderzoeken van de verschillende mechanismen van interactie, maar verdere informatie kan worden verkregen uit een farmacologische leerboek en/of van ander werk zoals Bertrand en Bertrand van22.

In het geval van allosteric modulatoren wijzigt de samengestelde bindt op een site die verschilt van de orthosteric site, maar de aanwezigheid van het molecuul de energie barrière tussen de actieve en andere Staten. Positieve allosteric modulatoren (PAMs) zijn verbindingen die de energie barrière verminderen van de rust op de actieve status en daarom versterken het effect van de agonist. Mogelijke effecten van de PAM karakteriseren, daarom, nodig om te bepalen als een blootstelling aan de stof de reactie op de agonist vergroot en, zo ja, op welke concentratie. De experimenten die in Figuur 11 en Figuur 14 gepresenteerd illustreren protocollen die met succes kunnen worden gebruikt voor de karakterisering van PAMs op de GABAA -receptoren.

In sommige gevallen mogelijk de blootstelling aan de PAM alleen voldoende om te activeren van de receptoren. Zo’n activiteit kan worden bepaald door een lichte wijziging van de experimentele protocol hier gepresenteerd. Namelijk, in plaats van een co-toepassing van de modulator tijdens de blootstelling aan de GABA, het protocol kan worden gewijzigd voor de toepassing van de eerste de compound alleen en vervolgens in aanwezigheid van de GABA. Een karakterisering van de directe agonist-activiteit zal worden gemaakt door de bepaling van de amplitude van de reactie opgeroepen door de stof zelf en ten opzichte van de huidige GABA-opgeroepen.

Experimenten in plakjes van de hersenen, zoals geïllustreerd in Figuur 7, worden gebruikt voor het bevestigen van de samengestelde activiteit op inheemse receptoren in een duidelijke remmende circuit alvorens verder te gaan in diermodellen en langs het traject naar klinische proeven. De relatief eenvoudige data opname en analyse-protocol kunnen de rangorde van meerdere verbindingen met een evaluatie van hun differentiële f effect op PS amplitude. Non-specifieke gevolgen van verbindingen die niet zijn gerelateerd aan het GABA-systeem kunnen ook worden gedetecteerd (bv, wanneer veranderingen in de PS-vorm worden waargenomen). Direct, GABAergic transmissie kan worden beoordeeld in deze gevallen door het meten van de effecten van de stoffen op de remmende postsynaptisch stromingen (IPSCs) met behulp van de geheel-cel patch-clamp techniek8.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs bedanken Judith Lengyel, Maria Karg, Grégoire Friz, Rachel Haab, en Marie Claire Pflimlin van Roche en Tifany Schaer en Deborah Paolucci van HiQScreen voor hun uitstekende technische bijstand.

Materials

General equipment
96 well cell harvester -(Filtermate 196)  Packard To filter membranes with bound radioligand
Microtiter plate liquid scintillation counter (Top Count NXT) Packard Microplate Scintillation and Luminescence counter
Vial liquid scintillation counter (Beta-Couter 2500 TR) Packard Vial Scintillation and Luminescence counter
Liquid  handler (Biomek 2000) Beckman coulter To prepare compound dilutions
Vortex (Vortex Genie 2) Scientific industries Inc. To mix compound stock solutions
Tissue homogenizer (Polytron PT1200E) Kinematica AG To resuspend the membrane preparations
XLfit5 software Microsoft Excel
 add-on by IDBS		 Curve fitting software
Smart Pull UniPix – Electrode Puller
RoboInject MultiChannel Systems – Automated Injection (Xenopus Oocytes)
HiClamp MultiChannel Systems – Automated Voltage Clamp (Xenopus Ooocytes)
DataMining MultiChannel Systems – Data Analysis Software
DataMerger MultiChannel Systems – Data Processing Software
Digidata 1550 Molecular Devices Low noise data acquisition system
CyberAmp 380 or equivalent Axon Instruments Programmable Signal Conditioner
pClamp program suite Molecular Devices Software for data acquisition and analysis software
Antivibraton table  TMC To avoid microelectrode vibrations 
Patchstar Micromanipulators Scientifica To accurately position microelectrodes in brain slices
Faraday Cage  Sutter Instruments To isolate recordings from noise
McIlwain Tissue Chopper Campden Instruments LTD  To prepare brain slices
Borosilicate glass micropipette  Warner Instruments GC150TF-10 To record extracellular potentials in brain slices
Twisted pair, platinum iridium wires stimulation electrode World Precision Instruments To stimulate the brain slices with current
Stimulus generator for current and voltage driven stimulation MultiChannel Systems STG4000 Delivers the current to the stimulation electrode
Plasticware
Microtiter plate round bottom Corning #3365 Used for the binding assay
GF/C glassfibre filter-bottom 96-well microplate with 1.2µm poresize, for cell harvesting assays using a vacuum manifoldwell filter  Packard  #6005174 used for the binding assay
50 mL Tubes Falcon  #352070 used for the binding assay
Safe-lock tubes 1.5 mL Eppendorf #0030 120086 used for the binding assay
Safe-lock tubes 2 mL Eppendorf #0030 120094 used for the binding assay
Shipping tubes 180ml  Semadeni Europe AG  #3722 used for the binding assay
Pony vial Polyethylene 6ml  Perkin Elmer  #6013329 used for the binding assay
Top Seal  Perkin Elmer  #60051859 used for the binding assay
Spinner Flask Bellco BELLCO # 1965-00100 Spinner Flask
96  Well Plate (Conical) Thermo Scientific Milian 56368 Injection plate for the oocytes
96  Well Plate (Flat bottom) Corning (Vitaris Switzerland) 3364-cor Compound Plate for the HiClamp
Glass capillary  Hilgenberg (Germany) – borosilicate glass 1.2 O.D. 0.76 I.D. with filament
RNA preparation
Ambion mMessage mMachine Thermo Fisher Scientific for the in vitro synthesis
Chemicals
Assay buffer: KCl 5 mM; CaCl2 1.25 mM; MgCl2 1.25 mM; NaCl 120 mM; Tris 15 mM pH adjust with HCl to 7.4; store up to 3 months at 4°C. Used for binding assay
Washing buffer: Tris 50mM -HCl pH 7.4; store at 4°C. Used for binding assay
Stock solution of test compounds 10mM in DMSO Used for binding assay
Flumazenil (RO0151788) 10mM in DMSO Used for binding assay
Diazepam 4mM in DMSO Used for binding assay
[3H]-Flumazenil 60-85 Ci/mmol in Ethanol; store at -20°C Used for binding assay
Microscint 40  Packard  #6013641 Used for binding assay
Ultima Gold  Perkin Elmer  #6013329 Used for binding assay
MS-222 Sigma Sigma # A5040 MS-222
AB/AM Sigma Sigma # A5955 antibiotics / antimycotics
Collagenase Sigma Sigma # C1030 Collagenase Type I
Rnase Sigma Sigma # R2020-250 mL RNaseZAP
EndoFree Plasmid maxi Kit Qiagen Qiagen # 12362
Salts for artificial cerebrospinal fluid (NaCl, KCl, etc.) Sigma
Membranes
Frozen membrane preparations from transient or stably transfected HEK293 overexpressing different human GABAA receptor subtypes: α1β3γ2, α2β3γ2, α3β3γ2, α5β3γ2. See Ballard et al 2009 for detailed methods. Used for binding assay
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rudolph, U., Knoflach, F. Beyond classical benzodiazepines: novel therapeutic potential of GABAA receptor subtypes. Nature Reviews Drug Discovery. 10, 685-697 (2011).
  2. Sieghart, W. Structure and pharmacology of g-aminobutyric acidA receptor subtypes. Pharmacological Reviews. 47, 181-234 (1995).
  3. Liu, J., et al. A high-throughput functional assay for characterization of g-aminobutyric acidA channel modulators using cryopreserved transiently transfected cells. ASSAY and Drug Development Technologies. 6, 781-786 (2008).
  4. Mennerick, S., et al. Diverse voltage-sensitive dyes modulate GABAA receptor function. Journal of Neuroscience. 30, 2871-2879 (2010).
  5. Hevers, W., Luddens, H. The diversity of GABAA receptors. Pharmacological and electrophysiological properties of GABAA channel subtypes. Molecular Neurobiology. 18, 35-86 (1998).
  6. Macdonald, R. L., Olsen, R. W. GABAA receptor channels. Annual Review of Neuroscience. 17, 569-602 (1994).
  7. Kemp, J. A., Marshall, G. R., Wong, E. H., Woodruff, G. N. The affinities, potencies and efficacies of some benzodiazepine-receptor agonists, antagonists and inverse-agonists at rat hippocampal GABAA-receptors. British Journal of Pharmacology. 91, 601-608 (1987).
  8. Prenosil, G. A., et al. Specific subtypes of GABAA receptors mediate phasic and tonic forms of inhibition in hippocampal pyramidal neurons. Journal of Neurophysiology. 96, 846-857 (2006).
  9. Ballard, T. M., et al. RO4938581, a novel cognitive enhancer acting at GABAA a5 subunit-containing receptors. Psychopharmacology. 202, 207-223 (2009).
  10. Knoflach, F., Hernandez, M. C., Bertrand, D. GABAA receptor-mediated neurotransmission: Not so simple after all. Biochemical Pharmacology. 115, 10-17 (2016).
  11. Gielen, M. C., Lumb, M. J., Smart, T. G. Benzodiazepines modulate GABAA receptors by regulating the preactivation step after GABA binding. Journal of Neuroscience. 32, 5707-5715 (2012).
  12. Bergmann, R., Kongsbak, K., Sorensen, P. L., Sander, T., Balle, T. A unified model of the GABAA receptor comprising agonist and benzodiazepine binding sites. PLoS One. 8, 52323 (2013).
  13. Richter, L., et al. Diazepam-bound GABAA receptor models identify new benzodiazepine binding-site ligands. Nature Chemical Biology. 8, 455-464 (2012).
  14. Rudolph, U., Crestani, F., Mohler, H. GABAA receptor subtypes: dissecting their pharmacological functions. Trends in Pharmacological Sciences. 22, 188-194 (2001).
  15. Wisden, W., Seeburg, P. H. GABAA receptor channels: from subunits to functional entities. Current Opinion in Neurobiology. 2, 263-269 (1992).
  16. Davies, C. H., Davies, S. N., Collingridge, G. L. Paired-pulse depression of monosynaptic GABA-mediated inhibitory postsynaptic responses in rat hippocampus. The Journal of Physiology. 424, 513-531 (1990).
  17. Karnup, S., Stelzer, A. Temporal overlap of excitatory and inhibitory afferent input in guinea-pig CA1 pyramidal cells. The Journal of Physiology. 516, 485-504 (1999).
  18. Turner, D. A. Feed-forward inhibitory potentials and excitatory interactions in guinea-pig hippocampal pyramidal cells. The Journal of Physiology. 422, 333-350 (1990).
  19. Hamill, O. P., Marty, A., Neher, E., Sakmann, B., Sigworth, F. J. Improved patch-clamp techniques for high-resolution current recording from cells and cell-free membrane patches. Pflügers Archiv. 391, 85-100 (1981).
  20. Adelsberger, H., Brunswieck, S., Dudel, J. Block by picrotoxin of a GABAergic chloride channel expressed on crayfish muscle after axotomy. European Journal of Neuroscience. 10, 179-187 (1998).
  21. Hapfelmeier, G., et al. Isoflurane slows inactivation kinetics of rat recombinant a1b2g2L GABAA receptors: enhancement of GABAergic transmission despite an open-channel block. Neuroscience Letters. 307, 97-100 (2001).
  22. Bertrand, S., Bertrand, D. Overview of electrophysiological characterization of neuronal nicotinic acetylcholine receptors. Current Protocols in Pharmacology. , 17 (2004).

Tags

GABA-A ReceptorRadioligand BindingElectrophysiologyXenopus OocytesRodent Brain SlicesCompound ScreeningSubtype SelectivityEfficacyMicroinjectionVoltage ClampPopulation Spike RecordingHippocampus

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Knoflach, F., Hernandez, M., Bertrand, D. Methods for the Discovery of Novel Compounds Modulating a Gamma-Aminobutyric Acid Receptor Type A Neurotransmission. J. Vis. Exp. (138), e57842, doi:10.3791/57842 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image