Proteínas e ligantes contendo amina podem ser covalentemente ligados a polissacarídeos ativados pelo reagente de cianeto, 1-ciano-4-dimethylaminopyrite tetrafluoroborate (CDAP), para formar proteína covalente (ligante)-conjugados de polissacarídeos. Este artigo descreve um protocolo aprimorado para a realização da ativação de CDAP controlado a 0 °C e pH variado e a realização da subsequente conjugação dos polissacarídeos ativados.
Vacinas conjugais são avanços notáveis na vacinação. Para a preparação de vacinas conjugadas de polissacarídeos, os polissacarídeos podem ser convenientemente funcionais e ligados a proteínas portadoras de vacinas usando tetrafluoroborate de 1-ciano-4-dimetilaminopyridina (CDAP), um reagente de cianeto fácil de lidar. O CDAP ativa polissacarídeos reagindo com grupos de hidroxil de carboidratos no pH 7-9. A estabilidade e a reatividade do CDAP são altamente dependentes do pH. O pH da reação também diminui durante a ativação devido à hidrólise do CDAP, o que faz do bom controle de pH a chave para a ativação reprodutível. O protocolo original de ativação do CDAP foi realizado à temperatura ambiente em soluções de pH 9 não oferecidas.
Devido à reação rápida sob esta condição (<3 min) e à queda rápida de pH da hidrólise rápida do CDAP, foi desafiador ajustar-se rapidamente e manter o pH de reação alvo no curto espaço de tempo. O protocolo aprimorado descrito aqui é realizado a 0 °C, o que retarda a hidrólise cdap e amplia o tempo de ativação de 3 min para ~15 min. Dimethylaminopyridina (DMAP) também foi usado como um tampão para pré-ajustar a solução de polissacarídeo ao pH de ativação de destino antes de adicionar o reagente CDAP. O maior tempo de reação, juntamente com a hidrólise CDAP mais lenta e o uso do buffer DMAP, facilita a manutenção do pH de ativação durante toda a duração do processo de ativação. O protocolo melhorado torna o processo de ativação menos frenético, mais reproduzível e mais agradável de escalar.
As vacinas conjugadas, como as constituídas por polissacarídeos covalentemente ligados a uma proteína portadora, estão entre os avanços notáveis na vacinação1,2. Polissacarídeos, como antígenos independentes de células T, são pouco imunogênicos em bebês e não induzem memória, troca de classe ou maturação de afinidade de anticorpos3. Essas deficiências são superadas nas vacinas conjugadas de polissacarídeos4. Como a maioria dos polissacarídeos não tem uma alça química conveniente para conjugação, eles devem primeiro ser reativados ou “ativados”. O polissacarídeo ativado é então ligado diretamente à proteína (ou proteína modificada) ou é funcionalizado para derivação adicional antes da conjugação4. A maioria das vacinas conjugadas de polissacarídeo licenciados usa aminação redutiva ou cianelação para ativar hidróxils de polissacarídeo. Brometo de cianogênio (CNBr), um reagente que já havia sido usado para ativar resinas cromatografias, foi inicialmente utilizado para derivação de polissacarídeo. No entanto, o CNBr requer alto pH, tipicamente ~ pH 10,5 ou superior, para desprotolar parcialmente hidróxia polisacarídeos de modo que eles são suficientemente nucleofílicos para atacar o grupo ciano. O pH alto pode ser prejudicial para polissacarídeos de laboratório base, e nem o CNBr nem o ciano-éster ativo inicialmente formado é suficientemente estável a um pH tão alto.
CDAP (1-cyano-4-dimethylaminopyrite tetrafluoroborate; Figura 1) foi introduzido por Lees et al. para uso como um agente de cianolato para a ativação de polissacarídeos5,6. CDAP, que é cristalino e fácil de manusear, foi encontrado para ativar polissacarídeos a um pH mais baixo que o CNBr e com menos reações laterais. Ao contrário do CNBr, polissacarídeos ativados pelo CDAP podem ser diretamente conjugados às proteínas, simplificando o processo de síntese. Polissacarídeos ativados pelo CDAP podem ser funcionalizados com uma diamina (por exemplo, diamina de hexano) ou um dihidrazida (por exemplo, dihidrazida adipica, ADH) para fazer polissacarídeos derivados de amino ou hidrazida. Uma alta concentração do reagente homobifuncional é usada para suprimir o crosslinking de polissacarídeos. Os polissacarídeos amino podem então ser conjugados usando qualquer uma das inúmeras técnicas utilizadas para a conjugação de proteínas. Polissacarídeos derivados de hidrazida são frequentemente acoplados a proteínas usando um reagente de carbodimídeo (por exemplo, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodimida (EDAC))7. A otimização adicional da ativação de polissacarídeo CDAP foi descrita por Lees et al.8 e está incorporada ao protocolo descrito aqui.
Visão geral da conjugação CDAP
O protocolo CDAP pode ser conceituado como duas fases: (1) a ativação do polissacarídeo e (2) conjugação do polissacarídeo ativado com proteína ou ligante(Figura 2). O objetivo do primeiro passo é ativar eficientemente o polissacarídeo, enquanto o objetivo do segundo é conjugar eficientemente ao polissacarídeo ativado. O polissacarídeo ativado une os dois passos. Essa conceituação ajuda a focar nos elementos críticos de cada passo. A Figura 2 expande-se nessa conceituação, mostrando as reações desejadas de ativação e acoplamento, juntamente com as reações da hidrólise e reações laterais.
Durante a fase de ativação, as três principais preocupações são a estabilidade do CDAP, a reação CDAP com os hidroxis de polissacarídeo e a estabilidade do polissacarídeo ativado(Figura 3). A hidrólise CDAP aumenta com pH, assim como a hidrólise do polissacarídeo ativado e as reações laterais. No entanto, a reação cdap com o polissacarídeo é facilitada pelo aumento do pH. Ativação eficiente de polissacarídeos com CDAP requer um equilíbrio entre 1) a reatividade do polissacarídeo e CDAP e 2) a hidrólise e as reações laterais tanto do reagente quanto do polissacarídeo ativado.
No protocolo original de ativação do CDAP descrito por Lees et al.5, a ativação cdap de polissacarídeos foi realizada à temperatura ambiente em solução pH 9 não oferecida. A taxa de ativação foi considerada rápida nesta condição, e a ativação seria completa em 3 minutos. A reação também foi acompanhada pela hidrólise rápida do CDAP, causando uma rápida queda de pH da solução de reação não oferecida. Foi desafiador aumentar rapidamente e manter a reação pH no valor-alvo em um período de tempo tão curto. No protocolo descrito, a ativação foi realizada adicionando CDAP a partir de uma solução de estoque de 100 mg/mL à solução de polissacarídeo não agregada. O pH foi levantado 30 s depois com “um volume igual de trietilamina de 0,2 M”. A proteína a ser conjugada foi então adicionada após 2,5 minutos à reação de ativação. Notavelmente, o pH da etapa de ativação não foi bem controlado e provavelmente excedeu inicialmente o pH alvo. A reação rápida que exigia ajuste rápido de pH dificultou o controle do processo de ativação e desafiou a escala.
Em contraste com o protocolo original, o protocolo modificado aqui descrito tem duas grandes melhorias. Primeiro, o pH da solução de polissacarídeo é pré-ajustado para o pH de ativação de alvo, usando DMAP como tampão, antes da adição do CDAP. O DMAP possui um pKa de 9.5 e, portanto, tem boa potência de buffer em torno do pH 9, e ao contrário de muitos outros buffers, o DMAP não foi encontrado para promover a hidrólise CDAP8. Além disso, o DMAP já é um processo intermediário e, portanto, não adiciona um novo componente à mistura de reação. O pré-ajuste do pH antes de adicionar CDAP elimina o grande balanço de pH no início da reação e permite uma manutenção mais eficiente do pH alvo durante a reação. A segunda melhora é realizar a reação de ativação a 0 °C, onde a taxa de hidrólise CDAP é marcadamente mais lenta do que a temperatura ambiente. Com a meia-vida do reagente mais longa a 0 °C, o tempo de ativação é aumentado de 3 min para 15 min para compensar a taxa de ativação mais lenta na temperatura mais baixa. O tempo de reação mais longo, por sua vez, facilita a manutenção do pH de reação. O uso de 0 °C também retarda a degradação de polissacarídeos sensíveis ao pH, possibilitando o preparo de conjugados deste tipo de polissacarídeo. As melhorias no protocolo tornam o processo de ativação menos frenético, mais fácil de controlar, mais reproduzível e mais agradável de escalar.
Este artigo descreve o protocolo aprimorado para a realização da ativação cdap controlada de polissacarídeo a 0 °C e em um pH alvo especificado e a realização de derivatização subsequente dos polissacarídeos ativados com ADH. Também é descrito um ensaio de ácido sulfônico trinitrobenzene (TNBS), baseado no método de Qi et al.9, para a determinação do nível de hidrazida no polissacarídeo modificado. Também é descrito um ensaio modificado para hexoses à base de ácido resorcinol e sulfúrico10, que pode ser usado para determinar uma gama mais ampla de polissacarídeos. Para obter mais informações sobre ativação e conjugação do CDAP, o leitor é encaminhado para publicações anteriores5,6,8 por Lees et al.
CDAP é um reagente conveniente para derivatizar e conjugar polissacarídeos. Este artigo descreve o método geral de uso do CDAP para derivatizar polissacarídeos com hidrazidas (PS-ADH) e incorpora melhorias publicadas recentemente8. Em primeiro lugar, a técnica enfatiza a importância de manter o pH alvo para controlar o processo de ativação. Descobrimos que, embora muitos buffers comuns interfiram na reação de ativação do CDAP, o DMAP poderia ser usado com sucesso como buffer para gerenciar o pH8. Além disso, o DMAP já é um subproduto de reação da ativação do CDAP. Finalmente, tamponar a solução de polissacarídeo com DMAP antes de adicionar o CDAP facilita a segmentação e manutenção precisas do pH de reação. Como descrevemos, é útil ajustar o pH da solução concentrada de estoque DMAP de tal forma que, quando diluído, atinge o pH alvo. Em segundo lugar, realizar o processo no frio diminuiu o tempo de reação, tornando o processo de ativação menos frenético e mais indulgente. A temperatura mais baixa diminuiu a taxa de hidrólise CDAP, e o tempo ideal de ativação no pH 9 aumenta de ~3 min para ~15 min. Além disso, menos CDAP é necessário para alcançar o mesmo nível de ativação do que quando realizado à temperatura ambiente.
Polissacarídeos derivados do TDAH podem ser conjugados a proteínas usando carbodimídeos (por exemplo, EDAC)7. Por exemplo, várias vacinas licenciadas de Haemophilus influenzae b (Hib) usam o poliribosylribitolphosphate (PRP) derivado com ADH para conjugar ao toxóide tétano usando EDAC. A CNBr foi inicialmente empregada, mas o CDAP é um reagente muito mais fácil de usar para esse fim. Em nossa experiência, uma boa faixa-alvo para derivatização de ADH é de 10-30 hidrazidas por polissacarídeo de 100 kDa ou ~1-3% ADH em peso.
O mesmo processo pode ser usado para derivatizar polissacarídeos com aminas primárias substituindo o ADH por uma diamina. Recomenda-se o uso de diamina de hexano para derivatizar polissacarídeos com aminas8. O polissacarídeo aminado (PS-NH2) pode ser conjugado utilizando reagentes desenvolvidos para conjugação proteica11. Normalmente, o PS-NH2 é derivatizado com um maleimida (por exemplo, succinimidyl 4-[N-maleimidomethyl]cyclohexane-1-carboxilato (SMCC) ou N-γ-maleimidobutyryl-oxysuccinimide ester (GMBS)), e a proteína é tialada (por exemplo, com succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionato (SPDP)). A química thiol-maleimida é muito eficiente.
As proteínas também podem ser diretamente acopladas a polissacarídeos ativados pelo CDAP através da ɛ-amina em lisesinas. Embora o protocolo de ativação utilizado seja geralmente semelhante ao descrito aqui, é necessário otimizar o nível de ativação, polissacarídeo e concentração de proteínas, bem como a relação proteína:polissacarídeo5,6,8.
O Dextran é um dos polissacarídeos mais fáceis de ativar com CDAP devido à sua densidade relativamente alta de grupos hidroxil, mas alguns polissacarídeos, como o antígeno Vi, podem ser desafiadores. Consequentemente, não há um único protocolo “melhor” para a conjugação do CDAP diretamente às proteínas. Sugerimos primeiro desenvolver um protocolo para alcançar níveis adequados de ativação, determinados pela extensão da derivação de hidrazida, e depois proceder à conjugação direta de proteínas ao polissacarídeo ativado pelo CDAP.
The authors have nothing to disclose.
O trabalho aqui descrito foi financiado pela 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 |