חלבונים וליגנדים המכילים אמין יכולים להיות מקושרים באופן קוולנטי לפוליסכרידים המופעלים על ידי ריאגנט ציאנילציה, 1-ציאנו-4-דימתילאמינופירידין טטרפלואורובוראט (CDAP), ליצירת הצמדת חלבון קוולנטי (ליגנד)-פוליסכריד. מאמר זה מתאר פרוטוקול משופר לביצוע הפעלת CDAP מבוקרת ב- 0 °C ו- pH משתנה וביצוע ההטיות הבאות של הפוליסכרידים הפעילים.
חיסונים מצומדים הם התקדמות יוצאת דופן בחיסון. להכנת חיסונים מצומדים פוליסכריד, ניתן לתפקד בנוחות את הפוליסכרידים ולקשר אותם לחלבונים נושאי חיסונים באמצעות 1-ציאנו-4-דימתילאמינופירידאין טטרפלואורובוראט (CDAP), ריאגנט ציאנילציה קל לטיפול. CDAP מפעיל פוליסכרידים על ידי תגובה עם קבוצות הידרוקסיל פחמימות ב pH 7-9. היציבות והתגובה של CDAP תלויות מאוד ב- pH. ה- pH של התגובה גם פוחת במהלך ההפעלה עקב הידרוליזה של CDAP, מה שהופך את השליטה הטובה ב- pH למפתח להפעלה ניתנת לשחזור. פרוטוקול ההפעלה המקורי של CDAP בוצע בטמפרטורת החדר בפתרונות pH 9 לא מכוסים.
בשל התגובה המהירה במצב זה (<3 דקות) וצניחת ה- pH המהירה הנלווית מההידרוליזה המהירה של CDAP, היה מאתגר להתאים במהירות ולשמור על ה- pH של תגובת היעד במסגרת הזמן הקצרה. הפרוטוקול המשופר המתואר כאן מבוצע ב 0 °C (50 °F), אשר מאט הידרוליזה CDAP ומאריך את זמן ההפעלה מ 3 דקות כדי ~ 15 דקות. Dimethylaminopyridine (DMAP) שימש גם כחוצץ להתאמה מראש של פתרון הפוליסכריד ל- pH של הפעלת היעד לפני הוספת ריאגנט CDAP. זמן התגובה הארוך יותר, יחד עם הידרוליזה CDAP איטית יותר ושימוש במאגר DMAP, מקל על שמירה על pH ההפעלה במשך כל תהליך ההפעלה. הפרוטוקול המשופר הופך את תהליך ההפעלה לפחות תזזיתי, לניתן לשחזור יותר וניתן יותר לשינוי קנה מידה.
חיסונים מצומדים, כגון אלה המורכבים מפוליסכרידים הקשורים באופן קוולנטי לחלבון נשא, הם בין ההתקדמות המדהימה בחיסון1,2. פוליסכרידים, כמו אנטיגנים עצמאיים לתאי T, הם אימונוגניים בצורה גרועה בתינוקות ואינם מעוררים זיכרון, החלפת מעמדות או התבגרות זיקה של נוגדנים3. חסרונות אלה מתגברים בחיסונים מצומדיםפוליסכריד 4. כמו רוב polysaccharides אין ידית כימית נוחה עבור הטיות, הם חייבים להיות תחילה תגובתי או “מופעל”. לאחר מכן, הפוליסכריד הפעיל מקושר ישירות לחלבון (או לחלבון שעבר שינוי) או שהוא פונקציונלי לגזרות נוספות לפני ההטיה4. רוב החיסונים המצוידים בפוליסכריד משתמשים במינוי רדוקטיבי או ציאנילציה כדי להפעיל הידרוקסילים פוליסכרידים. ציאנוגן ברומיד (CNBr), ריאגנט ששימש בעבר להפעלת שרפים כרומטוגרפיים, שימש בתחילה לגזרת פוליסכריד. עם זאת, CNBr דורש pH גבוה, בדרך כלל ~ pH 10.5 או יותר, באופן חלקי deprotonate hydroxyls פוליסכריד, כך שהם נוקלאופיליים מספיק לתקוף את קבוצת cyano. ה-pH הגבוה יכול להזיק לפוליסכרידים בסיסיים, ולא CNBr ולא הציאנו-אסתר הפעיל שנוצר בתחילה יציבים מספיק ברמת חומציות גבוהה כל כך.
CDAP (1-ציאנו-4-דימתילאמינופירידין טטרפלואורובורט; איור 1) הוצג על ידי ליס ואח ‘לשימוש כסוכן ציאנילטינג להפעלת פוליסכרידים5,6. CDAP, שהוא גבישי וקל לטיפול, נמצא להפעיל פוליסכרידים ברמת חומציות נמוכה יותר מאשר CNBr ועם פחות תגובות צד. שלא כמו CNBr, ניתן להטות ישירות פוליסכרידים המופעלים על ידי CDAP לחלבונים, ובכך לפשט את תהליך הסינתזה. ניתן לתפקד פוליסכרידים המופעלים על ידי CDAP עם דיאמין (למשל, דיאמין הקסאן) או דיהידרזיד (למשל, דיהידרזיד אדיפיק, ADH) כדי ליצור פוליסכרידים שמקורם באמינויות או הידרזידים. ריכוז גבוה של ריאגנט הומוביפונקציוני משמש לדיכוי הצלבה של פוליסכרידים. לאחר מכן ניתן להטות פוליסכרידים אמינו באמצעות כל אחת מהטכניקות הרבות המשמשות להטיית חלבונים. פוליסכרידים שמקורם בהידראזיד מצמידים לעתים קרובות לחלבונים המשתמשים בריאגנט קרבודימיד (למשל, 1-אתיל-3-(3-דימתילאמיל)קרבודימיד (EDAC))7. אופטימיזציה נוספת של הפעלת CDAP פוליסכריד תוארה על ידי Lees et al.8 והוא משולב בפרוטוקול המתואר כאן.
מבט כולל על הטיות CDAP
ניתן להמשיג את פרוטוקול CDAP כשני שלבים: (1) הפעלת הפוליסכריד ו-(2) ההטיה של הפוליסכריד הפעיל עם חלבון או ליגנד(איור 2). מטרת הצעד הראשון היא להפעיל ביעילות את הפוליסכריד, בעוד שהמטרה של השני היא להצדווג ביעילות לפוליסכריד המופעל. הפוליסכריד הפעיל קובר את שני השלבים יחד. תפיסה זו מסייעת להתמקד באלמנטים הקריטיים של כל שלב. איור 2 מרחיב את התפיסה הזו, ומראה את תגובות ההפעלה והצימוד הרצויות, יחד עם תגובות ההידרוליזה ותגובות הצד.
במהלך שלב ההפעלה, שלושת החששות העיקריים הם יציבות CDAP, תגובת CDAP עם הידרוקסילים פוליסכריד, ואת היציבות של פוליסכריד מופעל (איור 3). הידרוליזה CDAP עולה עם pH, כמו גם הידרוליזה של פוליסכריד מופעל ואת תגובות הצד. עם זאת, תגובת CDAP עם פוליסכריד מקלה על ידי הגדלת ה- pH. הפעלה יעילה של פוליסכרידים עם CDAP דורשת איזון בין 1) התגובה של הפוליסכריד וה- CDAP ו- 2) ההידרוליזה ותגובות הצד של ריאגנט והפוליסכריד המופעל.
בפרוטוקול ההפעלה המקורי של CDAP שתואר על ידי Lees et al.5, הפעלת CDAP של פוליסכרידים בוצעה בטמפרטורת החדר בתמיסת pH 9 לא מכווצת. קצב ההפעלה נמצא מהיר במצב זה, וההפעלה תושלם תוך 3 דקות. התגובה לוותה גם בהידרוליזה מהירה של CDAP, מה שגרם לירידה מהירה ב- pH של פתרון התגובה הבלתי מנוטרל. היה מאתגר להעלות במהירות ולשמור על רמת ה-pH של התגובה בערך היעד במסגרת זמן כה קצרה. בפרוטוקול המתואר, ההפעלה בוצעה על-ידי הוספת CDAP מפתרון מלאי של 100 מ”ג/מ”ל לפתרון הפוליסכריד הלא מנוצל. ה- pH הועלה 30 שניות מאוחר יותר עם “נפח שווה של 0.2 M טריאתילאמין”. חלבון שיש להצית נוספה לאחר 2.5 דקות לתגובת ההפעלה. ראוי לציין, ה- pH של שלב ההפעלה לא היה מבוקר היטב וסביר להניח בתחילה חרג pH היעד. התגובה המהירה הדורשת התאמת pH מהירה הקשתה על תהליך ההפעלה ומאתגרת את ההרחבה.
בניגוד לפרוטוקול המקורי, לפרוטוקול שהשתנה המתואר כאן יש שני שיפורים משמעותיים. ראשית, ה- pH של פתרון הפוליסכריד מותאם מראש ל- pH של הפעלת היעד, תוך שימוש ב- DMAP כחוצץ, לפני הוספת CDAP. DMAP יש pKa של 9.5 ולכן יש כוח אגירה טוב סביב pH 9, ובניגוד למאגרים רבים אחרים, DMAP לא נמצא כדי לקדם הידרוליזה CDAP8. יתר על כן, DMAP הוא כבר תהליך ביניים ולכן אינו מוסיף רכיב חדש לתערובת התגובה. כוונון מראש של ה- pH לפני הוספת CDAP מבטל את תנופת ה- pH הגדולה בתחילת התגובה ומאפשר תחזוקה יעילה יותר של pH היעד במהלך התגובה. השיפור השני הוא לבצע את תגובת ההפעלה ב 0 °C (50 °F), שבו קצב הידרוליזה CDAP הוא איטי משמעותית מזה בטמפרטורת החדר. עם מחצית החיים של ריאגנט ארוך יותר ב 0 °C (50 °F), זמן ההפעלה גדל מ 3 דקות ל 15 דקות כדי לפצות על קצב ההפעלה האיטי בטמפרטורה הנמוכה יותר. זמן התגובה הארוך יותר, בתורו, מקל על שמירה על pH התגובה. השימוש ב 0 °C (50 °F) גם מאט את השפלה של פוליסכרידים רגישים ל- pH, מה שמאפשר להכין מצומדים מסוג זה של פוליסכריד. השיפורים בפרוטוקול הופכים את תהליך ההפעלה לפחות תזזיתי, קל יותר לשליטה, לניתן לשחזור יותר וניתן יותר לשנות את קנה המידה שלו.
מאמר זה מתאר את הפרוטוקול המשופר לביצוע הפעלת CDAP מבוקרת של פוליסכריד ב 0 °C (70 °F) וב- pH היעד שצוין וביצוע נגזרת לאחר מכן של פוליסכרידים מופעלים עם ADH. מתואר גם הוא טרינדרובנזן חומצה גופרתית (TNBS) אסאי, המבוסס על השיטה של Qi ואח‘9, לקביעת רמת הידראזיד על פוליסכריד שונה. בדיקת שונה עבור hexoses המבוסס על resorcinol וחומצה גופרתית10 מתואר גם, אשר ניתן להשתמש בו לקביעת מגוון רחב יותר של פוליסכרידים. לקבלת מידע נוסף אודות הפעלת CDAP והטיה, הקורא מופנה לפרסומים קודמים5,6,8 על ידי Lees et al.
CDAP הוא ריאגנט נוח לגזור ולצדות פוליסכרידים. מאמר זה מתאר את השיטה הכללית לשימוש ב- CDAP כדי להפיק פוליסכרידים עם הידרזידים (PS-ADH) ומשלב שיפורים שפורסמו לאחרונה8. ראשית, הטכניקה מדגישה את החשיבות של שמירה על pH היעד כדי לשלוט בתהליך ההפעלה. מצאנו כי בעוד מאגרים נפוצים רבים להפריע תגובת הפעלת CDAP, DMAP יכול לשמש בהצלחה כחוצץ לניהול pH8. יתר על כן, DMAP הוא כבר תוצר לוואי של תגובה של הפעלת CDAP. לבסוף, אגירת פתרון הפוליסכריד עם DMAP לפני הוספת ה- CDAP מקלה על פילוח ותחזוקה מדויקים של pH התגובה. כפי שאנו מתארים, כדאי להתאים את ה- pH של פתרון מלאי DMAP מרוכז כך שכאשר מדולל, הוא מגיע ל- pH היעד. שנית, ביצוע התהליך בקור האט את זמן התגובה, מה שהופך את תהליך ההפעלה לפחות תזזיתי ויותר סלחני. טמפרטורה נמוכה יותר הפחיתה את קצב ההידרוליזה של CDAP, וזמן ההפעלה האופטימלי ב- pH 9 עולה מ ~ 3 דקות לכ – 15 דקות. בנוסף, פחות CDAP נדרש כדי להשיג את אותה רמת הפעלה מאשר כאשר מבוצע בטמפרטורת החדר.
ניתן להטות פוליסכרידים שמקורם ב-ADH לחלבונים באמצעות קרבודימידים (למשל, EDAC)7. לדוגמה, מספר חיסונים מורשים של המופילוס שפעת b (Hib) משתמשים בפולירבוסילרביטבולפוספט (PRP) שמקורם ב- ADH כדי להצית לטוקסואיד טטנוס באמצעות EDAC. CNBr הועסק בתחילה, אך CDAP הוא ריאגנט הרבה יותר קל לשימוש למטרה זו. מניסיוננו, טווח יעד טוב עבור derivatization ADH הוא 10-30 הידראזידים לכל 100 kDa פוליסכריד או ~ 1-3% ADH לפי משקל.
אותו תהליך יכול לשמש כדי לגזור פוליסכרידים עם אמינים ראשוניים על ידי החלפת ADH עבור דיאמין. מומלץ להשתמש הקסאן דיאמין כדי להפיק פוליסכרידים עם אמינים8. ניתן להטות את הפוליסכריד המנוכה (PS-NH2)באמצעות ריאגנטים שפותחו להטיית חלבונים11. בדרך כלל, PS-NH2 נגזר עם maleimide (למשל, succinimidyl 4-[N-maleimidomethyl]cyclohexane-1-קרבוקסילאט (SMCC) או N-γ-maleimidobutyryl-oxysuccinimide אסתר (GMBS)), ואת החלבון הוא thiolated (למשל, עם תמציתימידיל 3-(2-pyridyldithio)propionate (SPDP)). הכימיה של תיול-מאלימייד יעילה מאוד.
חלבונים יכולים גם להיות מצמידים ישירות לפוליסכרידים המופעלים על ידי CDAP באמצעות ɛ-amine על ליזינים. בעוד פרוטוקול ההפעלה בשימוש דומה בדרך כלל לזה המתואר כאן, יש צורך לייעל את רמת ההפעלה, פוליסכריד וריכוז החלבון, כמו גם את יחס החלבון:יחס פוליסכריד5,6,8.
Dextran הוא אחד הפוליסכרידים הקלים ביותר להפעלה עם CDAP בשל הצפיפות הגבוהה יחסית של קבוצות הידרוקסיל, אבל כמה פוליסכרידים, כגון Vi אנטיגן, יכול להיות מאתגר. כתוצאה מכך, אין פרוטוקול “הטוב ביותר” יחיד עבור הטיות CDAP ישירות חלבונים. אנו מציעים תחילה לפתח פרוטוקול כדי להשיג רמות מתאימות של הפעלה, כפי שנקבע על ידי היקף נגזרת הידראזיד, ולאחר מכן להמשיך לכוון הטיות חלבון לפוליסכריד המופעל על ידי CDAP.
The authors have nothing to disclose.
העבודה המתוארת כאן מומנה על ידי 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 |