Hier presenteren we een protocol om de volledige biomoleculaire corona, eiwitten en metabolieten te karakteriseren, verkregen door nanomaterialen uit biofluïden met behulp van een capillaire elektroforese – massaspectrometriebenadering.
De adsorptie van biomoleculen van omringende biologische matrices naar het oppervlak van nanomaterialen (NMs) om de corona te vormen, is de afgelopen tien jaar van belang geweest. Interesse in de bio-nano interface komt voort uit het feit dat de biomoleculaire corona een biologische identiteit verleent aan NMs en er dus voor zorgt dat het lichaam ze identificeert als “zelf”. Eerdere studies hebben bijvoorbeeld aangetoond dat de eiwitten in de corona in staat zijn om te interageren met membraanreceptoren om de cellulaire opname te beïnvloeden en hebben vastgesteld dat de corona verantwoordelijk is voor cellulaire handel in NMs en hun uiteindelijke toxiciteit. Tot op heden heeft het meeste onderzoek zich gericht op het eiwit corona en de mogelijke effecten van de metabolieten in de corona of synergetische effecten tussen componenten in de volledige biomoleculaire corona over het hoofd gezien. Als zodanig toont dit werk methodologieën aan om zowel de eiwit- als metabolietcomponenten van de biomoleculaire corona te karakteriseren met behulp van bottom-up proteomics en metabolomics benaderingen parallel. Dit omvat een on-particle digest van het eiwit corona met een oppervlakteactieve stof die wordt gebruikt om het eiwitherstel te verhogen, en een passieve karakterisering van de metaboliet corona door metabolietmatrices voor en na NM-blootstellingen te analyseren. Dit werk introduceert capillaire elektroforese – massaspectrometrie (CESI-MS) als een nieuwe techniek voor NM corona karakterisering. De hier beschreven protocollen laten zien hoe CESI-MS kan worden gebruikt voor de betrouwbare karakterisering van zowel het eiwit als de metaboliet corona die door NMs zijn verworven. De overgang naar CESI-MS vermindert het vereiste volume van het monster aanzienlijk (in vergelijking met traditionele vloeistofchromatografie – massaspectrometrie (LC-MS) benaderingen) met meerdere injecties mogelijk vanaf slechts 5 μL monster, waardoor het ideaal is voor volumebeleenmonsters. Bovendien worden de milieugevolgen van de analyse verminderd ten opzichte van LC-MS als gevolg van de lage debieten (<20 nL/min) bij CESI-MS en het gebruik van waterige elektrolyten, waardoor organische oplosmiddelen niet meer nodig zijn.
Bio-nano-interacties, op het raakvlak tussen nanomateriaal (NM) oppervlakken en biologische matrices waaruit biomoleculen adsorberen aan de NM, is een intens onderzoeksgebied dat ten grondslag ligt aan nanoveiligheid en nanogeneeskunde1. Deze laag geadsorbeerde biomoleculen verleent een biologische identiteit aan NMs, waardoor cellen ze identificeren als “zelf”, wat vervolgens de cellulaire opname, distributie en biologische eindpunten2,3,4beïnvloedt . De overgrote meerderheid van de bio-nano studies hebben zich gericht op de eiwitten in de corona, en hebben aangetoond dat eiwitten kwantitatief en kwalitatief variëren tussen NMs van verschillende samenstellingen5. Deze variatie is afhankelijk van zowel de eigenschappen van de NM zoals grootte, functionalisering en materiaal naast de eigenschappen van de biologische matrix inclusief samenstelling en zoutgehalte5. Een toenemend interessegebied in de bio-nano-interface zijn de metabolieten die adsorberen aan NMs6. Verschillende studies hebben aangetoond dat, net als bij de eiwitten, NM-eigenschappen een belangrijke factor zijn bij het bepalen van de samenstelling van de metabolieten in de corona en dat ze de biologische resultaten van NM-blootstelling6,7,8kunnen beïnvloeden .
In studies van de biomoleculaire corona zijn er vier verschillende fasen aan de karakterisering ervan, coronavorming, de isolatie van de biomoleculen binnen de corona, hun detectie via kwalitatieve of kwantitatieve massaspectrometrie en identificatie9. Tot op heden zijn verschillende technieken toegepast om het eiwit corona te isoleren, waaronder koken in SDS-PAGE lopende buffer-, oplosmiddel- en zoutextracties of directe vertering van eiwitten in situ op het oppervlak van NMs. Wat de metabolieten in de corona betreft , is de isolatie complexer met verschillende methoden met oplosmiddelen of zelfs de ontbinding van de NMs die worden voorgesteld als oplossingen8,10,11. In tegenstelling tot het eiwit corona is het echter onwaarschijnlijk dat een “one size fits all”-benadering van toepassing is op de isolatie van metabolieten van NMs, vanwege de grote chemische ruimte die wordt ingenomen door de metaboloom en de diversiteit van mogelijke NMs. Een alternatieve benadering is om de biologische matrix voor en na nm-blootstelling te karakteriseren met het verschil in metabolietconcentraties toegeschreven aan de adsorptie van metabolieten aan NMs.12
Deze alternatieve benadering zou van toepassing zijn op alle biofluïden en NMs en hoewel er twee keer zoveel analyse voor nodig is, biedt zij bijgevolg een veel nauwkeurigere meting van de corona van metabolieten en bestaat er geen risico dat lage metabolietherstel van het NM-oppervlak wordt verward met een lage binding van de specifieke metaboliet.
De tweede stap naar de biomoleculaire corona analyse is de detectie van de biomoleculen. Traditioneel voor de eiwitten in de corona is dit de taak van nano-LC-MS, het werkpaard van proteomica; andere benaderingen zoals NMR13,1D en 2D SDS-PAGE zijn ook toegepast. In termen van de metaboliet corona LC-MS7, GC-MS8 en directe infusie massaspectrometrie zijn gebruikt14. Een nieuwe aanpak is echter onlangs begonnen tractie te krijgen, namelijk capillaire elektroforese-massaspectrometrie (CE-MS)11,15 en is aanwezig geweest in NM-laboratoria als een op zichzelf staande techniek om verschillende fysische en chemische eigenschappen van NMs16te karakteriseren . CE-MS is een orthogonale scheidingstechniek voor nanoLC-MS en GC-MS en is in staat de detectie van zeer polaire en geladen metabolieten17,18mogelijk te maken . Bovendien is CE-MS zeer geschikt voor de analyse van eiwitten en hun posttranslationele modificaties zoals fosforylering en glycosylatie19,20,21,22. De laatste stap, identificatie en data-analyse kan op verschillende manieren worden uitgevoerd, afhankelijk van of een kwantitatieve / kwalitatieve of gerichte / niet-gerichte aanpak wordt gebruikt, dit valt echter buiten de bevoegdheid van dit protocol.
CESI-MS, een combinatie van CE en een nanoESI-interface, is een recente vooruitgang in CE-technologie met behulp van een schedeloze interface. Dit maakt een directe aansluiting van ultralage debiet CE (<20 nL/min) op een massaspectrometer met hoge resolutie zonder verdunning mogelijk, wat resulteert in een aanzienlijk verbeterde detectiegevoeligheid23,24,25. CESI-MS maakt het mogelijk volumebeleenmonsters (< 10 μL) te analyseren met behoud van een zeer gevoelige analyse26. CESI-MS vergelijkt ook gunstig met traditionele nanoLC-MS-benaderingen met een laag debiet die worden gebruikt in proteomica en metabolomics in termen van reproduceerbaarheid27,28, doorvoer, en dragen over waardoor het een opwindend vooruitzicht is voor de volledige biomoleculaire coronakarakterisering.
Om het potentieel van CESI-MS voor de analyses van bio-nano-interacties te benadrukken, beschrijft dit werk het monsterpreparaat dat nodig is om de NM-biomoleculaire corona te isoleren van één menselijk plasmamonster op een zodanige manier dat de gegevens van zowel de eiwit- als metabolietaspecten van de volledige biomoleculaire NM-corona worden gemaximaliseerd. Hoewel we verslag uitbrengen over het gebruik van menselijk plasma, zou dit protocol even geschikt zijn voor andere biofluïden zoals bloedserum, volledig celkweekmedium, cellysaat, hersenvocht of urine. De analyses van deze twee componenten (eiwitten en metabolieten) zullen vervolgens worden beschreven met behulp van neutraal gecoate CESI-haarvaten voor het eiwit corona en kale gesmolten silicacapillairen voor zowel kationische als anionische metabolieten.
Dit is de eerste methode die wordt voorgesteld om de volledige biomoleculaire corona met eiwitten en metabolieten uit hetzelfde monster te karakteriseren met behulp van CESI-MS. Het vermogen om zowel de eiwitten als metabolieten uit hetzelfde monster te karakteriseren, zal de hoeveelheid gegevens die zijn verzameld uit één experimentele blootstelling aanzienlijk verhogen, waardoor nieuwe inzichten mogelijk worden in het proces van coronavorming en de effecten ervan op de toxiciteit en werkzaamheid van NMs als nanomedicijnen. Bovendien is CESI-MS een ideaal platform om beide klassen van biomoleculen te karakteriseren met slechts een verandering van capillair vereist. In de toekomst zullen nieuwe methoden die zijn ontwikkeld voor niet-waterige CE lipidomics kunnen uitvoeren met BEHULP VAN CE-MS40, dus het is nu mogelijk om eiwitten, metabolieten en lipiden te analyseren met behulp van één platform. De huidige conventionele benaderingen vereisen twee speciale LC-MS-platforms, één voor het eiwit corona en één voor de metaboliet corona. Deze aanpak kan dus twee keer zoveel gegevens verzamelen met behulp van één analytisch platform.
Er zijn enkele kanttekeningen bij deze aanpak, met name bij de metaboliet corona, omdat dit protocol een indirecte meting van de corona voorstelt. Als zodanig kan zich een probleem voordoen wanneer de metabolietniveaus aanwezig zijn in hoge concentraties ten opzichte van de NMs en de daaropvolgende daling van de metabolietconcentratie in de matrix klein is. In tegenstelling tot de eiwit corona is het echter onwaarschijnlijk dat een “one size fits all” benadering van het isoleren van de metaboliet corona zal worden ontwikkeld omdat elke NM unieke oppervlaktechemieën heeft. In de toekomst is het echter waarschijnlijker dat NM-specifieke benaderingen om de metaboliet corona te isoleren zullen worden ontwikkeld en gevalideerd; dit is alleen van toepassing op die specifieke NM. Desondanks zal de CESI-MS nog steeds een zeer geschikt platform zijn voor de karakterisering van de polaire geladen metabolieten, ongeacht hoe ze zijn geïsoleerd. Opmerkelijk is ook dat als er geen pellet ontstaat tijdens de centrifugeerstappen die zijn ontworpen om de NMs te pelleteren, een hogere centrifugaalkracht nodig kan zijn; dit zal waarschijnlijk gebeuren met minder dichte NMs. Het is ook van cruciaal belang dat alle filterstappen binnen het protocol worden nageleefd vanwege de smalle boring van de haarvaten, deze kunnen gemakkelijk worden geblokkeerd als er geen deeltjes voldoende uit het monster zijn verwijderd.
Hoewel het eiwit corona al een aantal jaren een intensief onderzoeksgebiedis,is het vermogen om dat te combineren met de metaboliet corona een nieuw interessegebied voor wetenschappers die de bio-nano-interface6,14onderzoeken . Tot op heden hebben de meeste van deze studies zich gericht op de niet-polaire, lipidefractie van de metaboliet corona9,28. Deze huidige methode maakt de karakterisering mogelijk van de sterk polaire en geladen metabolieten in de corona, waaronder belangrijke metabolieten die betrokken zijn bij energiemetabolisme, glycolyse en DNA-synthese. Hierdoor is, in combinatie met de proteomics workflow, een meer holistische karakterisering van de biomoleculaire corona mogelijk. Dit maakt een meer diepgaande analyse van bio-nano interacties mogelijk. Deze methode maakt verbeterde mechanistische inzichten mogelijk in receptorgemedieerde endocytose via eiwit- en metabolietinteracties met membraanreceptoren. Bovendien kunnen inter- en intra-corona-interacties tussen eiwitten en kleine moleculen worden onderzocht; zo is onlangs aangetoond dat de eiwitten in de corona een sleutelrol spelen bij de rekrutering van metabolieten15. Het is vermeldensgeschikt dat de representatieve resultaten in figuur 3 en figuur 4 absolute kwantificering van metabolieten zijn, maar een niet-gerichte benadering met behulp van multivariate gegevensanalyse om alle CE-MS-kenmerken in controles in vergelijking met blootgesteld plasma te vergelijken, zou ook de binding van metabolieten verduidelijken. Er is dus een aanzienlijke ruimte om te onderzoeken hoe en welke metabolieten en eiwitten hun respectieve rekrutering in NM-coronas beïnvloeden. Deze aanvullende studies kunnen helpen bij het ontwerpen van coronas om de levering van nanomedicijnen te optimaliseren of verdere obstakels voor hun ontwikkeling bloot te leggen, zoals het onderdrukken van farmaceutische actie vanwege de biomoleculaire corona-blokkering of maskeringstargeting-targetingfunctionaliteiten.
CESI-MS met zijn debieten op nanoschaal van ongeveer 20 nL/min en minimaal gebruik van organische oplosmiddelen biedt een verbetering van de groene en economische geloofsbrieven ten opzichte van standaard LC-MS en nanoLC-MS in termen van oplosmiddelgebruik, de belangrijkste uitdagingen voor respectievelijk metabolomics- en proteomicsstudies. CESI-MS biedt zeer reproduceerbare resultaten voor zowel migratietijd als piekgebied die gunstig zijn in vergelijking met lc-ms-gebaseerde methoden11,15. Bovendien is overdracht in vergelijking met nanoLC-MS geen probleem bij CESI-MS. Daarom is een uitgebreide systeemopruiming tussen monsteranalyses niet vereist, wat de monsterdoorvoer aanzienlijk verbetert11.
Samengevat is de voorgestelde workflow de eerste die een aanpak beschrijft om zowel de eiwit- als metabolietcomponenten van de volledige biomoleculaire corona van NMs te karakteriseren. Dit ontgrendelt een nieuw aspect van bio-nano-interacties, de metaboliet corona, waardoor het verzamelen van twee keer zoveel gegevens uit hetzelfde monster mogelijk is, waardoor een vollediger begrip van interacties op de bio-nano-interface mogelijk wordt.
The authors have nothing to disclose.
A.J.C, J.A.T en I.L erkennen financiering van de Europese Commissie via Horizon 2020-project ACEnano (subsidienr. H2020-NMBP-2016-720952). W.Z erkent promotiefinanciering van de China Scholarship Council (CSC, No. 201507060011). R.R erkent de financiële ondersteuning van de Vidi-subsidieregeling van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO Vidi 723.0160330).
1,4-Dithiothreitol | Sigma | 10197777001 | |
2,2,4,4-D4-citric | Simga | 485438-1G | Internal standard anion |
Ammonium Acetate >98% | Sigma | A1542 | |
Ammonium Bicarbonate >99.5% | Sigma | 09830 | |
Capillary cartridge coolant | Sciex | 359976 | |
CESI 8000 instrument | Sciex | A98089 | |
CESI Cap | Sciex | B24699 | |
CESI Vials | Sciex | B11648 | |
Chloroform | Sigma | 650498 | Toxic, use in a fume hood |
Glacial Acetic acid | Sigma | A6283 | |
Hydrochloric acid 1mol/L | Sigma | 43617 | |
Iosoacetamide | Sigma | I1149 | |
L-methionine sulfone | Sigma | M0876-1G | Internal standard cation |
Methonal (LC-MS Ultra Chromasolve) | Sigma | 14262 | Use in a fume hood |
Microvials | Sciex | 144709 | |
nanoVials | Sciex | 5043467 | |
Neutral Surface Cartridge 30 µM ID x 90 cm total length | Sciex | B07368 | |
OptiMS Adapter for Sciex Nanospray III source | Sciex | B07363 | B07366 and B83386 for Thermo mass spectrometers, B85397 for Waters mass spectrometers, B86099 for Bruker mass spectrometers |
OptiMS Fused-Silica Cartridge 30 µm ID x 90 cm total length | Sciex | B07367 | |
Phospahte buffered saline 10x | Sigma | P7059 | |
Pierce C18 Tips, 100 µL bed | Thermo Fisher Scientific | 87784 | |
Polystyrene 100 nm | Polysciences Inc | 876 | |
Polystyrene carboxylated 100 nm | Polysciences Inc | 16688 | |
Polystyrene carboxylated 1000 nm | Polysciences Inc | 08226 | |
Rapigest SF (surfactant) | Waters | 186001860 | |
Sequencing Grade modified Trypsin | Promega | V5111 | |
SiO2 Ludox TM-40 | Sigma | 420786 | |
Sodium Hydroxide solution | Simga | 72079 | |
TiO2 Dispex coated | Promethion particles | Bespoke particles | |
TiO2 PVP coated | Promethion particles | Bespoke particles | |
TiO2 uncoated | Promethion particles | Bespoke particles |