Le proteine e i ligandi contenenti ammine possono essere legati covalentemente ai polisaccaridi attivati dal reagente di cianilazione, 1-ciano-4-dimetilamminopiridina tetrafluoroborato (CDAP), per formare coniugati di proteine covalenti (ligando)-polisaccaridi. Questo articolo descrive un protocollo migliorato per eseguire l’attivazione controllata del CDAP a 0 °C e il pH variabile ed eseguire la successiva coniugazione dei polisaccaridi attivati.
I vaccini coniugati sono notevoli progressi nella vaccinologia. Per la preparazione di vaccini coniugati con polisaccaridi, i polisaccaridi possono essere comodamente funzionalizzati e collegati alle proteine portanti del vaccino utilizzando 1-ciano-4-dimetilamminopiridina tetrafluoroborato (CDAP), un reagente cianolante facile da maneggiare. CDAP attiva i polisaccaridi reagendo con i gruppi ossidrilici dei carboidrati a pH 7-9. La stabilità e la reattività del CDAP dipendono fortemente dal pH. Il pH della reazione diminuisce anche durante l’attivazione a causa dell’idrolisi del CDAP, che rende un buon controllo del pH la chiave per l’attivazione riproducibile. Il protocollo di attivazione CDAP originale è stato eseguito a temperatura ambiente in soluzioni di pH 9 non tamponate.
A causa della reazione rapida in questa condizione (<3 min) e del rapido calo del pH che accompagna la rapida idrolisi CDAP, è stato difficile regolare rapidamente e mantenere il pH della reazione target nel breve lasso di tempo. Il protocollo migliorato qui descritto viene eseguito a 0 °C, che rallenta l'idrolisi CDAP ed estende il tempo di attivazione da 3 min a ~15 min. La dimetilamminopiridina (DMAP) è stata anche utilizzata come tampone per pre-regolare la soluzione di polisaccaride al pH di attivazione target prima di aggiungere il reagente CDAP. Il tempo di reazione più lungo, unito all'idrolisi CDAP più lenta e all'uso del tampone DMAP, rende più facile mantenere il pH di attivazione per l'intera durata del processo di attivazione. Il protocollo migliorato rende il processo di attivazione meno frenetico, più riproducibile e più suscettibile di scalare.
I vaccini coniugati, come quelli costituiti da polisaccaridi legati covalentemente ad una proteina vettore, sono tra i notevoli progressi della vaccinologia1,2. I polisaccaridi, come antigeni indipendenti dalle cellule T, sono scarsamente immunogenici nei neonati e non inducono memoria, cambio di classe o maturazione di affinità degli anticorpi3. Queste carenze sono superate nei vaccini coniugati con polisaccaridi4. Poiché la maggior parte dei polisaccaridi non ha una comoda maniglia chimica per la coniugazione, devono prima essere resi reattivi o “attivati”. Il polisaccaride attivato viene quindi collegato direttamente con la proteina (o proteina modificata) o viene funzionalizzato per un’ulteriore derivatizzazione prima della coniugazione4. La maggior parte dei vaccini coniugati con polisaccaridi autorizzati utilizzano l’aminazione riduttiva o la cianilizzazione per attivare gli idrossili polisaccaridi. Il bromuro di cianogeno (CNBr), un reagente che era stato precedentemente utilizzato per attivare le resine per cromatografia, è stato inizialmente utilizzato per la derivatizzazione dei polisaccaridi. Tuttavia, CNBr richiede un pH elevato, in genere ~ pH 10,5 o superiore, a idrossili polisaccaridi parzialmente deprotonati in modo che siano sufficientemente nucleofili da attaccare il gruppo ciano. L’alto pH può essere dannoso per i polisaccaridi base-labili e né il CNBr né il ciano-estere attivo inizialmente formato sono sufficientemente stabili a un pH così elevato.
CDAP (1-ciano-4-dimetilamminopiridina tetrafluoroborato; Figura 1) è stato introdotto da Lees et al. per l’uso come agente cianilante per l’attivazione dei polisaccaridi5,6. CDAP, che è cristallino e facile da maneggiare, è stato trovato per attivare polisaccaridi ad un pH inferiore rispetto a CNBr e con meno reazioni collaterali. A differenza del CNBr, i polisaccaridi attivati da CDAP possono essere coniugati direttamente alle proteine, semplificando il processo di sintesi. I polisaccaridi attivati da CDAP possono essere funzionalizzati con una diammina (ad esempio, esano diammina) o un diidrazide (ad esempio, diidrazide adipico, ADH) per produrre polisaccaridi derivati da amino o idrazide. Un’alta concentrazione del reagente omobifunzionale viene utilizzata per sopprimere la reticolazione dei polisaccaridi. Gli amminopolisaccaridi possono quindi essere coniugati utilizzando una qualsiasi delle miriadi di tecniche utilizzate per la coniugazione delle proteine. I polisaccaridi derivati dall’idrazide sono spesso accoppiati a proteine utilizzando un reagente di carbodiimide (ad esempio, 1-etil-3-(3-dimetilamminopropil)carbodiimide (EDAC))7. Un’ulteriore ottimizzazione dell’attivazione del polisaccaride CDAP è stata descritta da Lees et al.8 ed è incorporata nel protocollo qui descritto.
Panoramica della coniugazione CDAP
Il protocollo CDAP può essere concettualizzato in due fasi: (1) l’attivazione del polisaccaride e (2) la coniugazione del polisaccaride attivato con una proteina o un ligando (Figura 2). L’obiettivo del primo passo è quello di attivare in modo efficiente il polisaccaride, mentre l’obiettivo del secondo è quello di coniugare in modo efficiente al polisaccaride attivato. Il polisaccaride attivato lega insieme i due passaggi. Questa concettualizzazione aiuta a concentrarsi sugli elementi critici di ogni passaggio. La Figura 2 espande questa concettualizzazione, mostrando le reazioni di attivazione e accoppiamento desiderate, insieme alle reazioni di idrolisi e alle reazioni collaterali.
Durante la fase di attivazione, le tre principali preoccupazioni sono la stabilità del CDAP, la reazione del CDAP con gli idrossili polisaccaridi e la stabilità del polisaccaride attivato (Figura 3). L’idrolisi CDAP aumenta con il pH, così come l’idrolisi del polisaccaride attivato e le reazioni collaterali. Tuttavia, la reazione CDAP con il polisaccaride è facilitata aumentando il pH. L’attivazione efficiente dei polisaccaridi con CDAP richiede un equilibrio tra 1) la reattività del polisaccaride e del CDAP e 2) l’idrolisi e le reazioni collaterali sia del reagente che del polisaccaride attivato.
Nel protocollo di attivazione CDAP originale descritto da Lees et al.5, l’attivazione CDAP dei polisaccaridi è stata effettuata a temperatura ambiente in soluzione di pH 9 non tamponata. Il tasso di attivazione è risultato essere rapido in questa condizione e l’attivazione sarebbe stata completata entro 3 minuti. La reazione è stata anche accompagnata da una rapida idrolisi del CDAP, causando un rapido calo del pH della soluzione di reazione non tamponata. È stato difficile aumentare rapidamente e mantenere il pH di reazione al valore target in un lasso di tempo così breve. Nel protocollo descritto, l’attivazione è stata eseguita aggiungendo CDAP da una soluzione stock da 100 mg/mL alla soluzione di polisaccaride non tamponata. Il pH è stato aumentato di 30 s in seguito con “un volume uguale di 0,2 M di trietilammina”. La proteina da coniugare è stata quindi aggiunta dopo 2,5 minuti alla reazione di attivazione. In particolare, il pH della fase di attivazione non era ben controllato e molto probabilmente inizialmente superava il pH target. La reazione rapida che richiedeva una rapida regolazione del pH rendeva il processo di attivazione difficile da controllare e difficile da scalare.
In contrasto con il protocollo originale, il protocollo modificato qui descritto ha due importanti miglioramenti. In primo luogo, il pH della soluzione di polisaccaride viene pre-regolato per indirizzare il pH di attivazione, utilizzando DMAP come tampone, prima dell’aggiunta di CDAP. DMAP ha un pKa di 9,5 e quindi ha un buon potere tampone intorno a pH 9 e, a differenza di molti altri buffer, DMAP non è stato trovato per promuovere l’idrolisi CDAP8. Inoltre, DMAP è già un intermedio di processo e quindi non aggiunge un nuovo componente alla miscela di reazione. La pre-regolazione del pH prima di aggiungere CDAP elimina la grande oscillazione del pH all’inizio della reazione e consente un mantenimento più efficiente del pH target durante la reazione. Il secondo miglioramento consiste nell’eseguire la reazione di attivazione a 0 °C, dove la velocità di idrolisi CDAP è notevolmente più lenta di quella a temperatura ambiente. Con l’emivita del reagente più lunga a 0 °C, il tempo di attivazione viene aumentato da 3 minuti a 15 minuti per compensare il tasso di attivazione più lento alla temperatura più bassa. Il tempo di reazione più lungo, a sua volta, rende più facile mantenere il pH di reazione. L’uso di 0 °C rallenta anche la degradazione dei polisaccaridi pH-sensibili, rendendo possibile la preparazione di coniugati di questo tipo di polisaccaride. I miglioramenti nel protocollo rendono il processo di attivazione meno frenetico, più facile da controllare, più riproducibile e più suscettibile di scalare.
Questo articolo descrive il protocollo migliorato per l’esecuzione controllata dell’attivazione CDAP del polisaccaride a 0 °C e ad un pH target specificato e l’esecuzione della successiva derivatizzazione dei polisaccaridi attivati con ADH. Viene inoltre descritto un saggio di acido trinitrobenzene solfonico (TNBS), basato sul metodo di Qi et al.9,per la determinazione del livello di idrazide sul polisaccaride modificato. Viene inoltre descritto un saggio modificato per le esosi a base di resorcinolo e acido solforico10, che può essere utilizzato per determinare una gamma più ampia di polisaccaridi. Per ulteriori informazioni sull’attivazione e la coniugazione cdAP, il lettore è rimandato alle precedenti pubblicazioni5,6,8 di Lees et al.
CDAP è un reagente conveniente per derivare e coniugare polisaccaridi. Questo articolo descrive il metodo generale per utilizzare CDAP per derivare polisaccaridi con idrazidi (PS-ADH) e incorpora i miglioramenti pubblicati di recente8. In primo luogo, la tecnica sottolinea l’importanza di mantenere il pH target per controllare il processo di attivazione. Abbiamo scoperto che mentre molti buffer comuni interferiscono con la reazione di attivazione CDAP, DMAP potrebbe essere utilizzato con successo come buffer per gestire il pH8. Inoltre, DMAP è già un sottoprodotto di reazione dell’attivazione CDAP. Infine, il buffering della soluzione di polisaccaride con DMAP prima di aggiungere il CDAP facilita il targeting preciso e il mantenimento del pH di reazione. Come descriviamo, è utile regolare il pH della soluzione stock DMAP concentrata in modo tale che, una volta diluita, raggiunga il pH target. In secondo luogo, eseguire il processo al freddo ha rallentato il tempo di reazione, rendendo il processo di attivazione meno frenetico e più indulgente. La temperatura più bassa ha ridotto il tasso di idrolisi CDAP e il tempo di attivazione ottimale a pH 9 aumenta da ~ 3 min a ~ 15 min. Inoltre, è necessario meno CDAP per raggiungere lo stesso livello di attivazione rispetto a quando viene eseguito a temperatura ambiente.
I polisaccaridi derivati dall’ADH possono essere coniugati alle proteine usando carbodiimmidi (ad esempio, EDAC)7. Ad esempio, diversi vaccini autorizzati Haemophilus influenzae b (Hib) utilizzano il poliribosilribitolofosfato (PRP) derivato con ADH per coniugare al tossoide tetanico utilizzando EDAC. CNBr è stato inizialmente impiegato, ma CDAP è un reagente molto più facile da usare per questo scopo. Nella nostra esperienza, un buon intervallo target per la derivatizzazione dell’ADH è di 10-30 idrazidi per polisaccaride da 100 kDa o ~ 1-3% di ADH in peso.
Lo stesso processo può essere utilizzato per derivare polisaccaridi con ammine primarie sostituendo l’ADH con una diammina. Si consiglia di utilizzare esano diammina per derivare polisaccaridi con ammine8. Il polisaccaride aminato (PS-NH2) può essere coniugato utilizzando reagenti sviluppati per la coniugazione proteica11. Tipicamente, il PS-NH2 è derivato con una maleimmide (ad esempio, succinimidyl 4-[N-maleimidomethyl]cyclohexane-1-carboxylate (SMCC) o N-γ-maleimidobutyryl-oxysuccinimide ester (GMBS)), e la proteina è tiolata (ad esempio, con succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate (SPDP)). La chimica tiolo-maleimmide è molto efficiente.
Le proteine possono anche essere accoppiate direttamente ai polisaccaridi attivati da CDAP tramite l’ɛ-ammina sulle lisine. Mentre il protocollo di attivazione utilizzato è generalmente simile a quello qui descritto, è necessario ottimizzare il livello di attivazione, la concentrazione di polisaccaridi e proteine, nonché il rapporto proteina:polisaccaride5,6,8.
Il destro è uno dei polisaccaridi più facili da attivare con CDAP a causa della sua densità relativamente elevata di gruppi ossidrilici, ma alcuni polisaccaridi, come l’antigene Vi, possono essere impegnativi. Di conseguenza, non esiste un unico protocollo “migliore” per la coniugazione CDAP direttamente alle proteine. Suggeriamo prima di sviluppare un protocollo per raggiungere adeguati livelli di attivazione, come determinato dall’entità della derivatizzazione dell’idrazide, e quindi di procedere alla coniugazione proteica diretta al polisaccaride attivato da CDAP.
The authors have nothing to disclose.
Il lavoro qui descritto è stato finanziato da 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 |