Eiwitten en aminebevattende liganden kunnen covalent worden gekoppeld aan polysacchariden die worden geactiveerd door het cyanylation-reagens, 1-cyano-4-dimethylaminopyridinetetrafluoroboraat (CDAP), om covalent eiwit (ligand)-polysaccharideconjugaten te vormen. Dit artikel beschrijft een verbeterd protocol voor het uitvoeren van gecontroleerde CDAP-activering bij 0 °C en variërende pH en het uitvoeren van daaropvolgende conjugatie van de geactiveerde polysacchariden.
Geconjugeerde vaccins zijn opmerkelijke vooruitgangen in de vaccinologie. Voor de bereiding van polysaccharideconjugaatvaccins kunnen de polysacchariden gemakkelijk worden gefunctionaliseerd en gekoppeld aan vaccindragereiwitten met behulp van 1-cyano-4-dimethylaminopyridinetetrafluoroboraat (CDAP), een gemakkelijk te hanteren cyanylating-reagens. CDAP activeert polysacchariden door te reageren met koolhydraathydroxylgroepen bij pH 7-9. De stabiliteit en reactiviteit van CDAP zijn sterk pH-afhankelijk. De pH van de reactie neemt ook af tijdens activering als gevolg van de hydrolyse van CDAP, waardoor een goede pH-regeling de sleutel is tot reproduceerbare activering. Het oorspronkelijke CDAP-activeringsprotocol werd uitgevoerd bij kamertemperatuur in niet-gebufferde pH 9-oplossingen.
Vanwege de snelle reactie onder deze omstandigheden (<3 min) en de bijbehorende snelle pH-daling van de snelle CDAP-hydrolyse, was het een uitdaging om de pH van de doelreactie in het korte tijdsbestek snel aan te passen en te handhaven. Het verbeterde protocol dat hier wordt beschreven, wordt uitgevoerd bij 0 °C, wat de CDAP-hydrolyse vertraagt en de activeringstijd verlengt van 3 minuten tot ~ 15 minuten. Dimethylaminopyridine (DMAP) werd ook gebruikt als buffer om de polysaccharide-oplossing vooraf aan te passen aan de pH van de doelactivering voordat het CDAP-reagens werd toegevoegd. De langere reactietijd, in combinatie met de langzamere CDAP-hydrolyse en het gebruik van DMAP-buffer, maakt het gemakkelijker om de activerings-pH gedurende de gehele duur van het activeringsproces te handhaven. Het verbeterde protocol maakt het activeringsproces minder hectisch, reproduceerbaarder en vatbaarder voor opschaling.
Geconjugeerde vaccins, zoals die bestaande uit polysacchariden covalent gekoppeld aan een dragereiwit, behoren tot de opmerkelijke vooruitgang in de vaccinologie1,2. Polysacchariden, als T-celonafhankelijke antigenen, zijn slecht immunogeen bij zuigelingen en induceren geen geheugen, klasseschakeling of affiniteitsrijping van antilichamen3. Deze tekortkomingen worden overwonnen in polysaccharide geconjugeerde vaccins4. Omdat de meeste polysacchariden geen handig chemisch handvat hebben voor conjugatie, moeten ze eerst reactief of “geactiveerd” worden gemaakt. De geactiveerde polysacharide wordt vervolgens direct gekoppeld aan het eiwit (of gemodificeerd eiwit) of wordt gefunctionaliseerd voor extra derivatisatie vóór conjugatie4. De meeste gelicentieerde polysaccharide conjugaatvaccins gebruiken reductieve aminatie of cyanylation om polysaccharidehydroxylen te activeren. Cyanogeenbromide (CNBr), een reagens dat eerder werd gebruikt om chromatografieharsen te activeren, werd aanvankelijk gebruikt voor polysaccharide-derivatisatie. CNBr vereist echter een hoge pH, meestal ~ pH 10,5 of hoger, om polysaccharidehydroxylen gedeeltelijk te deprotoneren, zodat ze voldoende nucleofiel zijn om de cyanogroep aan te vallen. De hoge pH kan schadelijk zijn voor base-labiele polysacchariden, en noch CNBr, noch de actieve cyano-ester die aanvankelijk is gevormd, is voldoende stabiel bij zo’n hoge pH.
CDAP (1-cyano-4-dimethylaminopyridinetetrafluorboraat; Figuur 1) werd geïntroduceerd door Lees et al. voor gebruik als cyanylating agent voor de activering van polysacchariden5,6. CDAP, dat kristallijn en gemakkelijk te hanteren is, bleek polysacchariden te activeren bij een lagere pH dan CNBr en met minder bijwerkingen. In tegenstelling tot CNBr kunnen CDAP-geactiveerde polysacchariden direct worden geconjugeerd aan eiwitten, waardoor het syntheseproces wordt vereenvoudigd. CDAP-geactiveerde polysacchariden kunnen worden gefunctionaliseerd met een diamine (bijv. Hexaandiamine) of een dihydrazide (bijv. Adipische dihydrazide, ADH) om amino- of hydrazide-gederivatiseerde polysacchariden te maken. Een hoge concentratie van het homobifunctionele reagens wordt gebruikt om crosslinking van polysacchariden te onderdrukken. Aminopolysacchariden kunnen vervolgens worden geconjugeerd met behulp van een van de talloze technieken die worden gebruikt voor eiwitconjugatie. Hydrazide-gederivatiseerde polysacchariden worden vaak gekoppeld aan eiwitten met behulp van een carbodiimide-reagens (bijv. 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDAC))7. Verdere optimalisatie van CDAP polysaccharide activering is beschreven door Lees et al.8 en is opgenomen in het protocol dat hier wordt beschreven.
CDAP-vervoegingsoverzicht
Het CDAP-protocol kan worden geconceptualiseerd als twee fasen: (1) de activering van de polysacharide en (2) conjugatie van de geactiveerde polysaccharide met een eiwit of ligand(figuur 2). Het doel van de eerste stap is om de polysaccharide efficiënt te activeren, terwijl het doel van de tweede is om efficiënt te conjugeren naar de geactiveerde polysaccharide. De geactiveerde polysaccharide verbindt de twee stappen met elkaar. Deze conceptualisering helpt zich te concentreren op de kritieke elementen van elke stap. Figuur 2 breidt deze conceptualisering uit en toont de gewenste activerings- en koppelingsreacties, samen met de hydrolysereacties en nevenreacties.
Tijdens de activeringsfase zijn de drie belangrijkste zorgen de CDAP-stabiliteit, de CDAP-reactie met de polysaccharidehydroxylen en de stabiliteit van de geactiveerde polysacharide(figuur 3). CDAP-hydrolyse neemt toe met de pH, net als de hydrolyse van de geactiveerde polysaccharide en de nevenreacties. De CDAP-reactie met de polysaccharide wordt echter vergemakkelijkt door de pH te verhogen. Het efficiënt activeren van polysachariden met CDAP vereist een balans tussen 1) de reactiviteit van de polysacharide en CDAP en 2) de hydrolyse en nevenreacties van zowel het reagens als het geactiveerde polysacharide.
In het oorspronkelijke CDAP-activeringsprotocol beschreven door Lees et al.5, werd CDAP-activering van polysacchariden uitgevoerd bij kamertemperatuur in niet-gebufferde pH 9-oplossing. De activeringssnelheid bleek onder deze voorwaarde snel te zijn en de activering zou binnen 3 minuten voltooid zijn. De reactie ging ook gepaard met snelle hydrolyse van CDAP, waardoor een snelle pH-daling van de niet-gebufferde reactieoplossing ontstond. Het was een uitdaging om de reactie-pH in zo’n kort tijdsbestek snel te verhogen en op de streefwaarde te houden. In het beschreven protocol werd activering uitgevoerd door CDAP van een 100 mg/ml stockoplossing toe te voegen aan de niet-gebufferde polysaccharide-oplossing. De pH werd 30 s later verhoogd met “een gelijk volume van 0,2 M triethylamine”. Het te conjugeren eiwit werd vervolgens na 2,5 minuut aan de activeringsreactie toegevoegd. Met name de pH van de activeringsstap was niet goed gecontroleerd en overschreed hoogstwaarschijnlijk aanvankelijk de beoogde pH. De snelle reactie die een snelle aanpassing van de pH vereiste, maakte het activeringsproces moeilijk te controleren en een uitdaging om op te schalen.
In tegenstelling tot het oorspronkelijke protocol heeft het hier beschreven aangepaste protocol twee belangrijke verbeteringen. Eerst wordt de pH van de polysaccharide-oplossing vooraf aangepast aan de pH van de doelactivering, met DMAP als buffer, vóór de toevoeging van CDAP. DMAP heeft een pKa van 9,5 en heeft dus een goed buffervermogen rond pH 9, en in tegenstelling tot veel andere buffers bleek DMAP geen CDAP-hydrolyse te bevorderen8. Bovendien is DMAP al een procestussenproduct en voegt daarom geen nieuwe component toe aan het reactiemengsel. Het vooraf aanpassen van de pH voordat CDAP wordt toegevoegd, elimineert de grote pH-schommeling aan het begin van de reactie en zorgt voor een efficiënter onderhoud van de doel-pH tijdens de reactie. De tweede verbetering is het uitvoeren van de activeringsreactie bij 0 °C, waarbij de snelheid van CDAP-hydrolyse aanzienlijk langzamer is dan die bij kamertemperatuur. Met de langere halfwaardetijd van het reagens bij 0 °C wordt de activeringstijd verhoogd van 3 min naar 15 min om de langzamere activeringssnelheid bij de lagere temperatuur te compenseren. De langere reactietijd maakt het op zijn beurt gemakkelijker om de pH van de reactie te handhaven. Het gebruik van 0 °C vertraagt ook de afbraak van pH-gevoelige polysacchariden, waardoor het mogelijk is om conjugaten van dit type polysacharide te bereiden. De verbeteringen in het protocol maken het activeringsproces minder hectisch, gemakkelijker te controleren, meer reproduceerbaar en vatbaarder voor opschaling.
Dit artikel beschrijft het verbeterde protocol voor het uitvoeren van gecontroleerde CDAP-activering van polysaccharide bij 0 °C en bij een gespecificeerde streef-pH en het uitvoeren van daaropvolgende derivatisatie van de geactiveerde polysacchariden met ADH. Ook beschreven is een trinitrobenzeensulfonzuur (TNBS) assay, gebaseerd op de methode van Qi et al.9, voor de bepaling van hydrazide niveau op de gemodificeerde polysaccharide. Een gemodificeerde test voor hexoses op basis van resorcinol en zwavelzuur10 wordt ook beschreven, die kan worden gebruikt voor het bepalen van een breder scala aan polysacchariden. Voor meer informatie over CDAP-activering en -vervoeging wordt de lezer verwezen naar eerdere publicaties5,6,8 van Lees et al.
CDAP is een handig reagens om polysacchariden te derivatiseren en te conjugeren. Dit artikel beschrijft de algemene methode om CDAP te gebruiken om polysacchariden te derivatiseren met hydraziden (PS-ADH) en bevat recent gepubliceerdeverbeteringen 8. Ten eerste benadrukt de techniek het belang van het handhaven van de doel-pH om het activeringsproces te beheersen. We ontdekten dat hoewel veel voorkomende buffers de CDAP-activeringsreactie verstoren, DMAP met succes kan worden gebruikt als buffer om de pH8te beheren. Bovendien is DMAP al een reactiebijproduct van CDAP-activering. Ten slotte vergemakkelijkt het bufferen van de polysaccharide-oplossing met DMAP voordat de CDAP wordt toegevoegd, nauwkeurige targeting en onderhoud van de pH van de reactie. Zoals we beschrijven, is het nuttig om de pH van de geconcentreerde DMAP-stamoplossing zodanig aan te passen dat deze bij verdunnen de beoogde pH bereikt. Ten tweede vertraagde het uitvoeren van het proces in de kou de reactietijd, waardoor het activeringsproces minder hectisch en vergevingsgezinder werd. Lagere temperatuur verlaagde de snelheid van CDAP-hydrolyse en de optimale activeringstijd bij pH 9 neemt toe van ~ 3 min tot ~ 15 min. Bovendien is er minder CDAP nodig om hetzelfde activeringsniveau te bereiken dan bij kamertemperatuur.
ADH-gederivatiseerde polysacchariden kunnen worden geconjugeerd aan eiwitten met behulp van carbodiimiden (bijv. EDAC)7. Verschillende gelicentieerde Haemophilus influenzae b (Hib) -vaccins gebruiken bijvoorbeeld het polyribosylribitolfosfaat (PRP) gederivatiseerd met ADH om te conjugeren naar tetanustoxoïde met behulp van EDAC. CNBr werd aanvankelijk gebruikt, maar CDAP is een veel gemakkelijker reagens om voor dit doel te gebruiken. In onze ervaring is een goed doelbereik voor ADH-derivatisatie 10-30 hydraziden per 100 kDa polysaccharide of ~ 1-3% ADH per gewicht.
Hetzelfde proces kan worden gebruikt om polysacchariden te derivatiseren met primaire amines door de ADH te vervangen door een diamine. Het wordt aanbevolen om hexaandiamine te gebruiken om polysacchariden met amines te derivatiseren8. De verontreinigde polysacharide (PS-NH2) kan worden geconjugeerd met behulp van reagentia die zijn ontwikkeld voor eiwitconjugatie11. Meestal wordt de PS-NH2 gederivatiseerd met een maleimide (bijv. Succinimidyl 4-[N-maleimidomethyl]cyclohexaan-1-carboxylaat (SMCC) of N-γ-maleimidobutyryl-oxysuccinimide ester (GMBS)), en het eiwit wordt ge thioleerd (bijv. Met succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionaat (SPDP)). Thiol-maleimide chemie is zeer efficiënt.
Eiwitten kunnen ook direct worden gekoppeld aan CDAP-geactiveerde polysacchariden via het ɛ-amine op lysines. Hoewel het gebruikte activeringsprotocol over het algemeen vergelijkbaar is met het hier beschreven protocol, is het noodzakelijk om het niveau van activering, polysaccharide en eiwitconcentratie te optimaliseren, evenals de eiwit: polysaccharide-verhouding5,6,8.
Dextran is een van de gemakkelijkste polysacchariden om te activeren met CDAP vanwege de relatief hoge dichtheid van hydroxylgroepen, maar sommige polysacchariden, zoals Vi-antigeen, kunnen een uitdaging zijn. Bijgevolg is er geen enkel “beste” protocol voor CDAP-conjugatie rechtstreeks naar eiwitten. We stellen voor om eerst een protocol te ontwikkelen om geschikte niveaus van activering te bereiken, zoals bepaald door de mate van hydrazide-derivatisatie, en vervolgens over te gaan tot directe eiwitconjugatie naar CDAP-geactiveerd polysaccharide.
The authors have nothing to disclose.
Het hier beschreven werk werd gefinancierd door Fina Biosolutions LLC.
Acetonitrile | Sigma | 34851 | |
Adipic acid dihydrazide | Sigma | A0638 | MW 174 |
Amicon Ultra 15 10 kDa | Millipore | UFC901008 | MW cutoff can be 30 kDa for 200 kDa PS |
Analytical balance | |||
Autotitrator or electronic pipet | |||
Beaker 2-4 L | |||
CDAP | SAFC | RES1458C | Sigma |
DMAP | Sigma | 107700 | MW 122.2 |
Flake ice | |||
HCl 1 M | VWR | BDH7202-1 | |
Micro stir bar | VWR | 76001-878 | |
Microfuge tube (for CDAP) | VWR | 87003-294 | |
NaCl | VWR | BDH9286 | |
NaOH 1 M | Sigma | 1099130001 | |
NaOH 10 M | Sigma | SX0607N-6 | |
pH meter | |||
pH probe | Cole Parmer | 55510-22 | 6 mm x 110 mm Epoxy single junction |
pH temperature probe | |||
Pipets & tips | |||
Saline or PBS | |||
Small beaker 5-20 mL | VWR | 10754-696 | A 10 mL beaker allows room for pH probe & pipet |
Small ice bucket | |||
Small spatula | |||
Stir plate | |||
Resorcinol assay | |||
Combitip | Eppendorf | 10 ml | |
DI water | |||
Dialysis tubing | Repligen | 132650T | Spectra/Por 6-8kDa |
Dialysis tubing clips | Repligen | 142150 | |
Heating block | |||
Nitrile gloves | VWR | ||
Repeat pipettor | Eppendorf | M4 | |
Resorcinol | Sigma | 398047 | |
Sugar standard | As appropriate | ||
Sulfuric acid 75% | VWR | BT126355-1L | |
Timer | |||
TNBS assay | |||
Adipic dihydrazide | Sigma | A0638 | MW 174 |
Borosilcate test tubes 12 x 75 | VWR | 47729-570 | |
Sodium borate, 0.5 M pH 9 | Boston Biologicals | BB-160 | |
TNBS 5% w/v | Sigma | P2297 | MW 293.17 |