Blutbasierte Biomarker für neurodegenerative Erkrankungen sind für die Durchführung groß angelegter klinischer Studien unerlässlich. Ein zuverlässiger und validierter Bluttest sollte ein kleines Probenvolumen sowie eine weniger invasive Probenahmemethode erfordern, erschwinglich und reproduzierbar. Dieses Papier zeigt, dass der Immunoassay für kapillare Elektrophorese mit hohem Durchsatz Kriterien für die entwicklung potenzieller Biomarker erfüllt.
Kapillarelektrophorese Immunoassay (CEI), auch bekannt als Kapillar-Western-Technologie, wird zu einer Methode der Wahl für das Screening von krankheitsrelevanten Proteinen und Medikamenten in klinischen Studien. Reproduzierbarkeit, Empfindlichkeit, geringer Probenvolumenbedarf, Multiplexing-Antikörper für die Mehrfach-Protein-Etikettierung in derselben Probe, automatisierte Hochdurchsatzfähigkeit zur Analyse von bis zu 24 Einzelproben und kurzes Zeitaufwand machen CEI vorteilhaft gegenüber dem klassischen Western Blot Immunoassay. Es gibt einige Einschränkungen dieser Methode, z. B. die Unfähigkeit, ein Gradientengel zu verwenden (4%–20%) Matrix, hoher Hintergrund mit unraffinierten biologischen Proben und kommerzieller Nichtverfügbarkeit einzelner Reagenzien. Dieses Papier beschreibt eine effiziente Methode zum Ausführen von CEI in einer Mehrfach-Assay-Einstellung, zur Optimierung der Proteinkonzentration und der primären Antikörpertitration in einer Assayplatte und zur Bereitstellung benutzerfreundlicher Vorlagen für die Probenvorbereitung. Ebenfalls beschrieben sind Methoden zur Messung von Pan TDP-43 und phosphoryliertem TDP-43-Derivat in Thrombozytosollysatcytosol als Teil der Initiative zur blutbasierten Biomarkerentwicklung bei neurodegenerativen Erkrankungen.
Das gesamtziel von CEI, wie hier beschrieben, ist es, ein aktualisiertes stepwise Protokoll für die Analyse von Zielproteinen in menschlichen Thrombozyten bereitzustellen. Die Zuordnung eines blutbasierten Signaturmoleküls ist eine der wichtigsten Aufgaben auf dem Gebiet der Biomarkerentwicklung bei menschlichen neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer(AD), amyotropher Lateralsklerose (ALS), frontotemporaler Lobar Degeneration (FTLD), Parkinson-Krankheit (PD), Inklusionskörpermyositis (IBM) und andere Protein-Aggregation relevante pathologische Bedingungen. Der Nachweis von winzigen Mengen solcher Signaturproteine in großen Blutmengen mit vielen störenden Wirkstoffen ist eine Herausforderung. Daher sind die Spezifität, Empfindlichkeit, die Fähigkeit, eine große Anzahl von Proben zu behandeln, und die Reproduzierbarkeit der ausgewählten Methode entscheidend.
Menschliche Thrombozyten können als Milieu dienen, um potenzielle Biomarkerproteine für neurodegenerative Erkrankungen zu identifizieren und zuzuweisen. Thrombozyten bieten die Möglichkeit, als Ersatz-Primärzellmodell zu dienen, das einige Merkmale der neuronalen Zellen1,2,3widerspiegelt. Es gibt bestimmte Merkmale, die Thrombozyten zu einem der bevorzugten Mittel machen, um Biomarker-Kandidatenproteine und ihre chemischen Derivate zu analysieren. Erstens können Blutplättchen leicht mit einem weniger invasiven Ansatz erworben werden, indem Blut von Spendern (d. h. Venipunktur) oder in großen Mengen von gemeinschaftlichen Blutbanken gesammelt wird. Zweitens können Blutplättchen leicht aus dem Vollblut isoliert werden, mit minimalen Vorarbeiten in minimal ausgestatteten Laboratorien4,5. Drittens haben Thrombozyten keine Kerne; Daher sind sie eine gute Modellzelle, um Veränderungen im Stoffwechsel ohne Transkriptionsregulation zu untersuchen. Viertens ist der Biomolekülgehalt der Blutplättchen verkapselt; Daher schützt die Thrombozytenmikroumgebung ihren Inhalt vor serumstörenden Substanzen (d. h. Proteasen). Fünftens kann mit Thrombozyten angereichertes Plasma 7–8 Tage lang bei Raumtemperatur gelagert werden, ohne die Stoffwechselaktivität zu verlieren. Daher bieten Thrombozyten ein Arbeitsmodell, bei dem externe Faktoren minimiert und kontrolliert werden.
Herkömmliche Immunoassay-Techniken wie Immunoblotting (z. B. Western Blotting) und enzymgebundener Immunsorbent-Assay (ELISA) werden in der spezifischen Proteinanalyse häufiger eingesetzt. Diese beiden Methoden haben jedoch mehrere Nachteile, darunter mehrere Assay-Schritte, Anforderungen an gefährliche Chemikalien und Reagenzien, große Probengröße, Probleme mit der Reproduzierbarkeit des Asses und Inter-Run-Datenvariabilitäten. Diese veranlassten die Entwicklung einer Methode, die mit weniger Schritten einfacher und in relativ kurzer Zeit erreichbar ist. Obwohl die klassische Western-Blot-Technik eine beliebte Labormethode bleiben wird, werden ihr mehrstufiges Verfahren, Vorräte, giftige Abfälle (d. h. Acrylamid, Methanol usw.) und die Testzeit bei quantitativer Durchführung mit hohem Durchsatz immer weniger wünschenswert. Proteinanalyse.
Ein automatisierter CEI-Ansatz entwickelt sich allmählich zu einer Methode der Wahl für Laboratorien, die Protein-Assays mit hohem Durchsatz durchführen6. CEI eliminiert die Notwendigkeit von Gelen, Gelelektrophoresegeräten, Membranen, Elektrophorese- und Elektrotransfergeräten und mehr physikalischen Handhabungsbeteiligungen. Wenn gut ausgelegt, sollte ein CEI-Test innerhalb von ca. 3,5 h abgeschlossen werden, einschließlich quantitativer Datenanalyse, Elektropherogramm in Publikationsqualität und Graphiken mit statistischer Analyse. Eine weitere Überlegenheit des CEI-Systems ist seine Anforderung von 10x–20x weniger Proteinkonzentration, was es ideal für den Einsatz in menschlichen Proben in klinischen Studien7,8macht.
Der kritischste Teil von CEI ist die Optimierung der Assay-Bedingungen für jeden Antikörper, der von verschiedenen Anbietern gekauft wurde, die Art des Antikörpers (monoklonal vs. polyklonal), optimale Proteinkonzentrationen, Probenvorbereitung, Probendenaturierungstemperatur und Elektrophoresespannung, die auf die Kapillaren angewendet wird. Wir haben eine Single-Assay-Formatoptimierungsmethode für das CEI entwickelt, die vor neuen Assays implementiert werden sollte, was Zeit und Ressourcen spart. Diesem Optimierungsschritt folgt eine automatisierte quantitative Bewertung sowohl des totalen als auch des phosphorylierten Derivats des Transaktivierungsreaktions-DNA/RNA-Bindungsproteins (TARDP). Aufgrund seiner Größe (43 kDa) wird das Akronym TDP-43 in diesem Papier verwendet. Hierbei wird das von ALS-Patienten gewonnene TDP-43-Protein in humanem Thrombozytenlysat bewertet, um den prädiktiven Phosphorylierungswert (PPV) als potentiellen prognostischen Biomarker zu entwickeln.
TDP-43 ist ein neuer potenzieller Biomarker-Kandidat für ALS. TDP-43 ist ein allgegenwärtiges Protein in allen nukleierten Zellen; daher wurden die Funktionen von TDP-43 bei verschiedenen normalen zellulären Ereignissen und bei neurodegenerativen Erkrankungen9,10,11,12,13,14untersucht. Obwohl TDP-43 ein Kernprotein15ist, hat es die Fähigkeit, zwischen dem Kern und Zytoplasma aufgrund des Vorhandenseins von nuklearen Lokalisierung und nuklearen Exportsequenzen16,17,18,19zu pendeln. Cytoplasmaic TDP-43 ist an verschiedenen zellulären Ereignissen beteiligt, wie mRNA-Stabilität und -Transport, die Stressreaktion, mitochondriale Funktion, Autophagominasie20. Über die Rolle von phosphorylierten Derivaten von TDP-43 ist jedoch nicht viel bekannt als ihre Beteiligung an der Pathogenese der neurodegenerativen Erkrankung21.
Dieses Protokoll veranschaulicht, wie die Assay-Bedingungen optimiert werden, um den Inhalt von TDP-43 und seiner phosphorylierten Derivatderivate in Thrombozyten nach dem CEI-Ansatz zu analysieren. Da phosphoryliertes TDP-43 nicht kommerziell erhältlich ist, wird vorgeschlagen, einen prädiktiven Phosphorylierungswert (PPV) zu verwenden, um TDP-43-Profile bei ALS-Patienten zu bewerten. Dieses CEI-System verwendet ein kleines Volumen an Probenmischungen (2,5–3,0 l pro Kapillare). Das Gesamtvolumen des Assayvolumens beträgt 8,0 l pro Kapillare auf der Grundlage des Herstellerprotokolls; Daher können Forscher eine Probenmischungspräparation für zwei getrennte Durchläufe verwenden. Der Hersteller hat das Assay-Protokoll so konzipiert, dass Pipettierfehler minimiert, wenn nicht gar vollständig beseitigt werden. Die 24 einzelnen menschlichen Thrombozytenlysat-Probengemische werden in Halbvolumina (d. h. 2,5–3,0 l pro Probe) unterteilt und nacheinander durch zwei verschiedene Antikörper innerhalb von 7 h analysiert. Das hier beschriebene CEI-System bietet eine wünschenswerte Modalität für den Test mit hohem Durchsatz. Anwender müssen Antikörper verschiedener Anbieter und Probenvorbereitungsmodalitäten für das Zielprotein testen, bevor sie ein großangelegtes Screening durchführen.
Der kapillare elektrophoretische Immunoassay ist jetzt die Methode der Wahl für Probenanalysen mit hohem Durchsatz und Arzneimittelscreenings25. Kleine Probenvolumina, gut optimierte Assay-Komponenten, benutzerfreundliche Assay-Plattform und Instrumentierung, Reagenzienaufwand und geringer CV-Prozentsatz sind primäre Vorteile26,27. Obwohl es mehrere Methoden zur Trennung von Proteinen in verschiedenen Assay-Modalitäten gibt, kann das hier beschriebene Antikörper-basierte CEI von kleinen Laboratorien angepasst werden, die sich mit der Entwicklung blutbasierter Biomarker beschäftigen. Die hier eingesetzte CEI-Assay-Technologie liefert zuverlässige, reproduzierbare und empfindliche Messungen für TDP-4328 und sein phosphoryliertes Derivat5.
Das CEI-System bietet auch eine Multiplexing-Auswahl, um TDP-43 und seine phosphorylierten Derivate gleichzeitig zu analysieren und die direkte Quantifizierung des Zielproteins zu liefern, wenn gereinigtes oder rekombinantes Zielprotein verfügbar ist. Rekombinantes TDP-43-Protein in voller Länge ist im Handel erhältlich; rekombinantes phosphoryliertes TDP-43-Derivat ist dies jedoch nicht. Da phosphoryliertes TDP-43 nicht kommerziell erhältlich ist, wurde ein prädiktiver Phosphorylierungswert (PPV) implementiert, um das TDP-43-Profil bei ALS-Patienten zu bewerten. Pan TDP-43 und phosphorylierte TDP-43-Mengen wurden dauerhaft mit einem Fluorophor gekennzeichnet; Daher bleibt das TDP-43-Profil mit oder ohne quantitative Einheit (d. h. ng/mL, pg/mL usw.) gleich. Obwohl die Bestimmung der absoluten Menge an TDP-43 und seinen phosphorylierten Derivaten (d. h. P [S409-410-12] TDP-43) eine quantitativere Messung bietet, eliminiert die Berechnung von PPV die Notwendigkeit des rekombinanten phosphorylierten TDP-43 für die Standardisierung, da es nicht kommerziell verfügbar ist.
CEI stellt mehrere Checkpoints in der Assay-Plattform bereit, um das Problem genau zu identifizieren, falls ein Test fehlschlägt. Dies beseitigt Hindernisse und bietet ein besseres experimentelles Design. Das Assay-Verfahren ist vollautomatisch, mit Ausnahme der Befüllung der Probenplatte. Dies ist ein wichtiges Merkmal im Vergleich zur Standard-Western-Blotting-Analyse. Diese Funktion bietet Konsistenz von Der Durchlauf. Obwohl jedes Labor über einzigartige Standard-Betriebsverfahren verfügt, ist es wichtig, sich an Praktiken zu halten, die menschliches Versagen minimieren. Beispielsweise ist es wichtig, das Luminol-S/Peroxid-Gemisch kurz vor der Plattenbeladung vorzubereiten, da die Zugabe von Peroxid in Luminol die enzymatische Reaktion einleitet und das Luminolsubstrat verbraucht. Auch das Laden von Proben und primär-sekundären Antikörpern in Plattenbrunnen ohne Luftblasen sind wichtige Schritte.
Da die Plattenbrunnen klein sind und es keinen Platz zwischen den Brunnen gibt, sollten Benutzer beim Pipetieren Vorsicht walten lassen, was der wichtigste Schritt ist, da alles andere automatisiert ist. Die Ladereihenfolge der Proben, Antikörper und anderen Reagenzien ist wichtig für die Konsistenz des Assays (Abbildung 1). Der Prozess der Plattenvorbereitung dauert ca. 40–45 min. Daher wird empfohlen, die Platte zunächst mit den erforderlichen Assaykomponenten zu beladen und das Luminol-S/Peroxid-Gemisch kurz vor dem Pipetieren vorzubereiten. Auf diese Weise gibt es eine konsistente Abfolge der Reagenzzugabe, und eine konsistente Lumineszenzsignalstärke wird erreicht. Es wird nicht empfohlen, ein abgelaufenes Luminol-S/Peroxid-Reagenz zu verwenden, da es in erster Linie die Festigkeit des Peroxids beeinflusst. Die jüngsten Fortschritte bei der Einführung des Split-Buffer-Systems und einschließlich des Chemikalien- und Waschmittelkompatibilitätsbereichs haben die Testqualität verbessert und zu reproduzierbareren und vorhersehbareren Ergebnissen geführt. Nun verfügt ein neuer Combo-Analysator desselben Herstellers über eine Funktion zur Analyse der Proben, die mit Chemilumineszenz und fluoreszenzkonjugierten Antikörpern im gleichen Lauf gekennzeichnet sind. Diese neue Funktion macht es überflüssig, zwei einzelne Platten nacheinander auszuführen, und eliminiert Lauf-zu-Lauf-Variationen.
Die Assayplatten sollten bei Umgebungstemperatur gelagert werden. Wenn die Assayplatten in einem 4 °C-Kühlschrank aufbewahrt werden sollen, müssen die Platten in der Nacht vor dem Test herausgenommen und auf Umgebungstemperatur gebracht werden. Falsch geladene Probenbrunnen müssen vor dem Hinzufügen der richtigen Probe ausgiebig (4-5-mal) mit Puffer im Kit gewaschen werden. Jeder primäre Antikörper und jede biologische Probe sind einzigartig; Daher sollte die Antikörper-Protein-Optimierung vor der Analyse der Proben auf Zielproteine in biologischen Flüssigkeiten durchgeführt werden.
Hier wurde standardmäßig die primäre Antikörperinkubationszeit auf 30 min eingestellt. Wenn das Signal schwach ist, benutzergreifen Benutzer, die primäre Antikörperinkubationszeit zu erhöhen, bis die gewünschte Signalstärke ohne Fluoreszenzsignal-Burnout erreicht wird. Für menschliche Thrombozyten wurden gepoolte Proben von Patienten vorbereitet und für einen Optimierungstest verwendet. Die Probenpooling besser stellt die Variation zwischen den Zielbiomolekülen dar. Es wird empfohlen, klare Überstande anstelle von Gesamtlysat oder Gesamthomogenat für das CEI zu verwenden.
Die hohe Konzentration von Protein in der ganzen Thrombozytenlysatmischung kann das Signal-Rausch-Verhältnis verringern (Abbildung 2). Wiederholte Frost-Tau-Zyklen von Proben sollten vermieden werden, da dies die primäre Antikörperbindung beeinträchtigt. Die Inhaltsstoffe des Lysatpuffers sind wichtig, da einige Reagenzien nicht mit CEI29kompatibel sind. Es wird empfohlen, die Liste der kompatiblen Reagenzien, die auf der Website des Herstellers bereitgestellt werden, vor der Probenvorbereitung zu überprüfen. Dies ist eine Einschränkung des Systems, die keine hohen Stringenzbedingungen für die Probenvorbereitung toleriert. Es wird empfohlen, die Parameter für den Testlauf (d. h. primäre Antikörperverdünnung, Proteinkonzentration, Primärantikörperinkubationszeit usw.) mithilfe von gepoolten Proben zu optimieren, um anschließend die einzelnen Proben zu analysieren.
The authors have nothing to disclose.
Diese Forschung wurde durch ein intramurales Stipendium für A.A. gefördert. Diese Arbeit wurde durch ein CTSA-Stipendium von NCATS unterstützt, das an das University of Kansas Medical Center for Frontiers: The Heartland Institute for Clinical and Translational Research (#UL1TR606381) vergeben wurde. Die Inhalte liegen allein in der Verantwortung der Autoren und stellen nicht unbedingt die offiziellen Ansichten des NIH oder NCATS dar. Wir sind dankbar für die University of Kansas Medical Center ALS Klinik persönlich für die Erlangung der IRB-Zulassung für die Blutentnahme von gesunden Freiwilligen und ALS-Patienten. Die Autoren danken Emre Agbas für das Korrekturlesen des Manuskripts.
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 |