Op bloed gebaseerde biomarkers voor neurodegeneratieve ziekten zijn essentieel voor de uitvoering van grootschalige klinische studies. Een betrouwbare en gevalideerde bloedtest moet een klein monstervolume vereisen en een minder invasieve bemonsteringsmethode zijn, betaalbaar en reproduceerbaar. Dit document toont aan dat hoog-doorvoer capillaire elektroforese immunoassay voldoet aan criteria voor mogelijke biomarker ontwikkeling.
Capillaire elektroforese immunoassay (CEI), ook wel capillaire westerse technologie genoemd, wordt een keuzemethode voor het screenen van relevante eiwitten en geneesmiddelen in klinische studies. Reproduceerbaarheid, gevoeligheid, kleine monstervolumebehoefte, multiplexing antilichamen voor meerdere eiwitetikettering in hetzelfde monster, geautomatiseerde hoge doorvoercapaciteit om tot 24 individuele monsters te analyseren en een korte tijdseis maken CEI voordelig over de klassieke westelijke vlek immunoassay. Er zijn enkele beperkingen van deze methode, zoals het onvermogen om een gradiëntgel (4%–20%) te gebruiken matrix, hoge achtergrond met ongeraffineerde biologische monsters en commerciële onbeschikbaarheid van individuele reagentia. Dit document beschrijft een efficiënte methode voor het uitvoeren van CEI in een meervoudige testinstelling, het optimaliseren van eiwitconcentratie en primaire antilichaamtitratie in één testplaat en het verstrekken van gebruiksvriendelijke sjablonen voor monstervoorbereiding. Ook beschreven zijn methoden voor het meten van pan TDP-43 en fosforylated TDP-43 derivaat in bloedplaatjes lysaat cytosol als onderdeel van het initiatief in bloedgebaseerde biomarker ontwikkeling voor neurodegeneratieve ziekten.
Het algemene doel van CEI zoals hier beschreven is om een bijgewerkt stapsgewijs protocol te bieden voor het analyseren van doeleiwitten in menselijke bloedplaatjes. Toewijzing van een op bloed gebaseerd signatuurmolecuul is een van de belangrijkste taken op het gebied van biomarkerontwikkeling bij menselijke neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer (AD), amyotrofische laterale sclerose (ALS), frontotemporale kwab degeneratie (FTLD), de ziekte van Parkinson (PD), inclusion body myositis (IBM) en andere eiwitaggregatie relevante pathologische aandoeningen. De detectie van minieme hoeveelheden van dergelijke kenmerkende eiwitten in grote hoeveelheden bloed met veel storende middelen is een uitdaging. Daarom zijn de specificiteit, gevoeligheid, het vermogen om een groot aantal monsters te verwerken en reproduceerbaarheid van de geselecteerde methode van cruciaal belang.
Menselijke bloedplaatjes kunnen dienen als een milieu te identificeren en toe te wijzen potentiële biomarker eiwitten voor neurodegeneratieve ziekte. Bloedplaatjes bieden de mogelijkheid om te dienen als een surrogaat primaire cel model, die een aantal kenmerken van neuronale cellenweerspiegelen 1,2,3. Er zijn bepaalde kenmerken die bloedplaatjes een van de gewenste middelen om biomarker kandidaat-eiwitten en hun chemische derivaten te analyseren. Ten eerste kunnen bloedplaatjes gemakkelijk worden verkregen met behulp van een minder invasieve aanpak door het verzamelen van bloed van donoren (d.w.z. venipunctie) of in grote hoeveelheden van communautaire bloedbanken. Ten tweede kunnen bloedplaatjes gemakkelijk uit het hele bloed worden geïsoleerd met minimale voorbereidende werkzaamheden in minimaal uitgeruste laboratoria4,5. Ten derde hebben bloedplaatjes geen kernen; daarom zijn ze een goede modelcel om veranderingen in de stofwisseling te bestuderen zonder transcriptieregulatie. Ten vierde is het biomolecuulgehalte van bloedplaatjes ingekapseld; daarom beschermt de bloedplaatjesmicromilieu de inhoud ervan tegen serumverstorende stoffen (d.w.z. proteasen). Ten vijfde kan met bloedplaatjes verrijkt plasma 7-8 dagen bij kamertemperatuur worden opgeslagen zonder de metabolische activiteit te verliezen. Daarom bieden bloedplaatjes een werkend model waarin externe factoren worden geminimaliseerd en gecontroleerd.
Traditionele immunoassaytechnieken zoals immunoblotting (bijvoorbeeld westerse vlekken) en enzymgebonden immunosorbenttest (ELISA) worden vaker gebruikt in specifieke eiwitanalyse. Deze twee methoden hebben echter verschillende nadelen, waaronder meerdere teststappen, vereiste van gevaarlijke chemische stoffen en reagentia, grote steekproefgrootte, problemen met de reproduceerbaarheid van de test en interrun-gegevensvariabiliteit. Deze leidden tot de ontwikkeling van een methode die eenvoudiger is met minder stappen en haalbaar in een relatief korte periode. Hoewel de klassieke westerse vlektechniek een populaire laboratoriummethode zal blijven, worden de procedure in meerdere stappen, leveringen, giftig afval (d.w.z. acrylamide, methanol, enz.) en testtijd minder wenselijk bij het uitvoeren van kwantitatieve eiwitanalyse.
Een geautomatiseerde CEI-aanpak wordt geleidelijk een keuzemethode voor laboratoria die eiwittesten met een hoge doorvoer uitvoeren6. CEI elimineert de noodzaak van gels, gel elektroforese apparaten, membranen, elektroforese en elektro-overdracht apparaten, en meer fysieke behandeling betrokkenheid. Indien goed ontworpen, moet een CEI-test binnen ongeveer 3,5 uur worden voltooid, inclusief kwantitatieve gegevensanalyse, elektropherogram van publicatiekwaliteit en grafieken met statistische analyse. Een andere superioriteit van het CEI-systeem is de eis van 10x-20x minder eiwitconcentratie, waardoor het ideaal is voor gebruik in menselijke monsters die worden gebruikt in klinische studies7,8.
Het meest kritische deel van CEI is het optimaliseren van de testomstandigheden voor elk antilichaam dat bij verschillende leveranciers is gekocht, type antilichaam (monoklonale versus polyklonale), optimale eiwitconcentraties, monstervoorbereiding, monsterdenaturatietemperatuur en elektroforesespanning toegepast op de haarvaten. We hebben een single-assay formaat optimalisatie methode voor de CEI die moet worden geïmplementeerd voordat een nieuwe testen, die tijd en middelen zal besparen. Deze optimalisatiestap wordt gevolgd door een geautomatiseerde kwantitatieve beoordeling van zowel totale als fosforgelatedededededevan transactivatierespons DNA/RNA bindend eiwit (TARDP). Vanwege de grootte (43 kDa) zal het acroniem TDP-43 in dit artikel worden gebruikt. Hier worden TDP-43-eiwit in menselijk bloedplaatjeslysaat verkregen van ALS-patiënten beoordeeld om te helpen bij de ontwikkeling van voorspellende fosforylatiewaarde (PPV) als een potentiële prognostische biomarker.
TDP-43 is een nieuwe potentiële kandidaat voor ALS. TDP-43 is een alomtegenwoordig eiwit in alle nucleated cellen; daarom zijn de functies van TDP-43 tijdens verschillende normale cellulaire voorvallen en bij neurodegeneratieve ziekte onderzocht9,10,11,12,13,14. Hoewel TDP-43 een nucleair eiwitis 15, heeft het de mogelijkheid om in en uit te pendelen tussen de kern en het cytoplasma als gevolg van de aanwezigheid van nucleaire lokalisatie en nucleaire exportsequenties16,17,18,19. Cytoplasmatische TDP-43 is betrokken bij verschillende cellulaire gebeurtenissen, zoals mRNA stabiliteit en transport, de stress respons, mitochondriale functie, autofaag20. Er is echter niet veel bekend over de rol van fosforderivaten van TDP-43, behalve hun betrokkenheid bij de pathogenese van neurodegeneratieve ziekte21.
Dit protocol illustreert hoe de testomstandigheden te optimaliseren om de inhoud van TDP-43 en de fosforgezuurderivaat in bloedplaatjes te analyseren met behulp van de CEI-benadering. Aangezien fosfortdp-43 niet commercieel beschikbaar is, wordt voorgesteld om een voorspellende fosforylatiewaarde (PPV) te gebruiken om TDP-43-profielen bij ALS-patiënten te beoordelen. Dit CEI-systeem maakt gebruik van een klein volume monstermengsel (2,5–3,0 μL per capillaire). De totale set-up van het totale testvolume is 8,0 μL per capillaire op basis van het protocol van de fabrikant; vandaar, onderzoekers kunnen gebruik maken van een monster mengsel voorbereiding voor twee afzonderlijke runs. De fabrikant ontwierp het testprotocol zodat eventuele pipetterfouten worden geminimaliseerd, zo niet volledig geëlimineerd. De 24 afzonderlijke menselijke bloedplaatjes lysaat monster mengsels zijn verdeeld in halve volumes (dat wil zeggen, 2,5-3,0 μL per monster) en achtereenvolgens geanalyseerd die door twee verschillende antilichamen binnen ~ 7 h. Het HIER beschreven CEI-systeem biedt een wenselijke testmodaliteit met hoge doorvoer. Gebruikers moeten antilichamen van verschillende leveranciers en monstervoorbereidingsmodaliteiten voor het doeleiwit testen voordat ze grootschalige screening uitvoeren.
De capillaire elektroforetische immunoassay is nu de methode van keuze voor hoge doorvoer monsteranalyse en drug screenings25. Kleine steekproefvolumes, goed geoptimaliseerde testcomponenten, gebruiksvriendelijk testplatform en instrumentatie, reagensuitgaven en een laag CV-percentage zijn primaire voordelen26,27. Hoewel er verschillende methoden zijn om eiwitten te scheiden in verschillende testmodaliteiten, kan het hier beschreven op antilichamen gebaseerde CEI worden aangepast door kleine laboratoria die zich bezighouden met bloedgebaseerde biomarkerontwikkeling. De HIER gebruikte CEI-testtechnologie biedt betrouwbare, reproduceerbare en gevoelige metingen voor TDP-4328 en zijn fosforgederivaat5.
Het CEI-systeem biedt ook een multiplexing keuze van het analyseren van TDP-43 en de fosforderivaten tegelijkertijd en het verstrekken van de directe kwantificering van het doeleiwit, indien gezuiverd of recombinant doeleiwit beschikbaar is. Full-length recombinant TDP-43 eiwit is commercieel beschikbaar; echter, recombinant fosforylated TDP-43 derivaat is niet. Aangezien fosfortdp-43 niet commercieel beschikbaar is, werd een voorspellende fosforylatiewaarde (PPV) geïmplementeerd om het TDP-43-profiel bij ALS-patiënten te beoordelen. Pan TDP-43 en fosforhoudende TDP-43-hoeveelheden waren permanent voorzien van een fluorophore; daarom blijft het TDP-43-profiel hetzelfde met of zonder kwantitatieve eenheid (d.w.z. ng/mL, pg/mL, enz.). Hoewel het bepalen van de absolute hoeveelheid TDP-43 en de fosforderivaten (d.w.z. P [S409-410-12] TDP-43) een meer kwantitatieve meting biedt, elimineert de berekening van PPV de noodzaak van de recombinant fosforylated TDP-43 voor standaardisatie, aangezien deze niet commercieel beschikbaar is.
CEI biedt verschillende controlepunten in het testplatform om het probleem nauwkeurig te identificeren in het geval dat een test mislukt. Dit elimineert obstakels en zorgt voor een beter experimenteel ontwerp. De testprocedure is volledig geautomatiseerd, behalve voor het vullen van de monsterplaat. Dit is een belangrijke functie in vergelijking met standaard westerse blotting analyse. Deze functie biedt consistentie van run-to-run. Hoewel elk laboratorium heeft unieke standaard operationele procedures, is het belangrijk om zich te houden aan praktijken die menselijke fouten te minimaliseren. Het is bijvoorbeeld van cruciaal belang om het luminol-S/peroxidemengsel vlak voor het laden van de plaat voor te bereiden, omdat het toevoegen van peroxide in luminol de enzymatische reactie begint en het luminolsubstraat verbruikt. Het laden van monsters en primaire/secundaire antilichamen in plaatputten zonder luchtbellen zijn ook uiterst belangrijke stappen.
Bovendien, aangezien de plaatputten klein in volume zijn en er geen ruimte tussen putten is, zouden de gebruikers voorzichtigheid tijdens het piaaiden moeten gebruiken, die de belangrijkste stap is aangezien al het andere geautomatiseerd is. De laadvolgorde van de monsters, antilichamen en andere reagentia is belangrijk voor de consistentie van de test (figuur 1). Het proces van plaatvoorbereiding duurt ongeveer 40-45 min. Daarom wordt aanbevolen om eerst de plaat te laden met de vereiste testcomponenten en het luminol-S/peroxidemengsel vlak voor het beaien voor te bereiden. Op deze manier is er een consistente opeenvolging van reagens toevoegen, en consistente luminescentie signaal sterkte zal worden bereikt. Het wordt afgeraden om een verlopen luminol-S/peroxide reagens te gebruiken, omdat het voornamelijk de sterkte van de peroxide beïnvloedt. De recente vooruitgang bij de invoering van het splitbuffersysteem en met inbegrip van het compatibiliteitsbereik voor chemische en wasmiddelen heeft de testkwaliteit verbeterd en meer reproduceerbare en voorspelbare resultaten opgeleverd. Nu, een nieuwe combo-analyzer van dezelfde fabrikant beschikt over een functie voor het analyseren van de monsters gelabeld met chemiluminescentie en fluorescentie vervoegde antilichamen in dezelfde run. Deze nieuwe functie elimineert de noodzaak om achtereenvolgens twee afzonderlijke platen uit te voeren en elimineert run-to-run variatie.
De testplaten moeten worden opgeslagen in omgevingstemperatuur. Als wordt gekozen om de testplaten in een koelkast van 4 °C te houden, moeten de platen de nacht voor de test worden verwijderd en op omgevingstemperatuur worden gebracht. Verkeerd geladen monsterputten moeten uitgebreid (4-5 keer) worden gewassen met buffer in de kit voordat u het juiste monster toevoegt. Elk primair antilichaam en biologische monsters zijn uniek; daarom moet de antilichaam/eiwitoptimalisatie worden uitgevoerd voordat de monsters voor doeleiwitten in biologische vloeistoffen worden geanalyseerd.
Hier werd de primaire incubatietijd van het antilichaam standaard ingesteld op 30 min. Als het signaal zwak is, moeten gebruikers overwegen om de primaire incubatietijd van het antilichaam te verhogen totdat ze de gewenste signaalsterkte bereiken zonder een burn-out van het fluorescentiesignaal. Voor menselijke bloedplaatjes werden gepoolde monsters van patiënten voorbereid en gebruikt voor een optimalisatietest. De steekproef bundeling vertegenwoordigt beter de variatie tussen doelbiomoleculen. Het wordt aanbevolen om duidelijke supernatants te gebruiken in plaats van totale lysaat of totale homogenaat voor de CEI.
De hoge concentratie eiwit in het gehele bloedplaatjeslysaatmengsel kan de signaal-ruisverhouding(figuur 2) verminderen. Herhaalde vriesdooicycli van monsters moeten worden vermeden, omdat dit een negatieve invloed heeft op de primaire antilichaambinding. De ingrediënten van de lysaatbuffer zijn belangrijk, omdat sommige reagentia niet compatibel zijn met CEI29. Het wordt aangeraden de lijst van compatibele reagentia die op de website van de fabrikant is verstrekt, vóór de voorbereiding van het monster te controleren. Dit is een beperking van het systeem dat geen hoge stringentievoorwaarden voor monstervoorbereiding tolereert. Het wordt aanbevolen om de testrunparameters (d.w.z. primaire verdunning van antilichamen, eiwitconcentratie, primaire incubatietijd van antilichamen, enz.) te optimaliseren met behulp van gepoolde monsters om vervolgens de individuele monsters te analyseren.
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd gesponsord door een intramurale subsidie toegekend voor A.A. Dit werk werd ondersteund door een CTSA subsidie van NCATS toegekend aan de Universiteit van Kansas Medical Center for Frontiers: The Heartland Institute for Clinical and Translational Research (#UL1TR606381). De inhoud valt uitsluitend onder de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van het NIH of NCATS. We zijn dankbaar voor de Universiteit van Kansas Medical Center ALS kliniek persoonlijk voor het verkrijgen van IRB goedkeuring voor bloedmonster smeting van gezonde vrijwilliger en ALS patiënten. De auteurs bedanken Emre Agbas voor het proeflezen van het manuscript.
12-230 kDa Separation kit | ProteinSimple | SM-W004 | Contains pre-filled assay plate and 25-channel capillary cartridge |
3000G Thermocycler | Techne | FTC3G/02 | We used this thermocylcer for heating the sample mix |
Anti-Mouse detection kit | ProteinSimple | 042-205 | Includes HRP-conjugated secondary antibody, buffer, luminol reagent, molecular weight marker |
Anti-P(S409-410) TDP-43 antibody | ProteinTech | 22309-1-AP | Primary antibody that recognizes phosphorylated TDP-43 |
Anti-P(S409-412) TDP-43 antibody | CosmoBio-USA | TIP-PTD-P02 | Primary antibody that recognizes phosphorylated TDP-43 |
Anti-Rabbit detection kit | ProteinSimple | DM-001 | Includes HRP-conjugated secondary antibody, buffer, luminol reagent, molecular weight marker |
Anti-TDP-43 (pan) antibody | ProteinTech | 10782-2-AP | Primary antibody that recognizes whole TDP-43 protein |
Compass for SimpleWestern (SW) | ProteinSimple | Ver.4.0.0. | Compass for SW is the control and data analysis application for SimpleWestern instruments |
Sonic Dismembrator; Model100 | Fisher Scientific | Sonicator. Used to rupture the cell membrane. This model is discontinued (Model XL2000-350) | |
Table top centrifuge | Eppendorf | 22625004 | Model# 5810 with swinging plate bucket |
Wes analyzer | ProteinSimple | 55892-WS-2203 | Performs the capillary gel electrophoresis |