Белки и аминосодержащие лиганды могут быть ковалентно связаны с полисахаридами, активированными реагентом цианирования, 1-циано-4-диметиламинопиридина тетрафторборатом (CDAP), с образованием ковалентного белка (лиганда)-полисахаридных конъюгатов. В данной статье описан усовершенствованный протокол для проведения контролируемой активации CDAP при 0 °C и изменении рН и выполнения последующей конъюгации активированных полисахаридов.
Конъюгированные вакцины являются замечательными достижениями в вакцинологии. Для приготовления полисахаридных конъюгированных вакцин полисахариды могут быть удобно функционализированы и связаны с белками-носителями вакцин с использованием 1-циано-4-диметиламинопиридина тетрафторбората (CDAP), простого в обращении цианилирующего реагента. CDAP активирует полисахариды, реагируя с гидроксильными группами углеводов при рН 7-9. Стабильность и реакционная способность CDAP сильно зависят от pH. pH реакции также снижается во время активации из-за гидролиза CDAP, что делает хороший контроль pH ключом к воспроизводимой активации. Оригинальный протокол активации CDAP выполняли при комнатной температуре в небуферизованных растворах рН 9.
Из-за быстрой реакции в этом состоянии (<3 мин) и сопровождающего ее быстрого падения рН от быстрого гидролиза CDAP было сложно быстро отрегулировать и поддерживать целевой рН реакции в короткие сроки. Улучшенный протокол, описанный здесь, выполняется при 0 °C, что замедляет гидролиз CDAP и увеличивает время активации с 3 мин до ~15 мин. Диметиламинопиридин (DMAP) также использовали в качестве буфера для предварительной корректировки раствора полисахарида к целевому активации рН перед добавлением реагента CDAP. Более длительное время реакции в сочетании с более медленным гидролизом CDAP и использованием буфера DMAP облегчает поддержание рН активации в течение всего процесса активации. Улучшенный протокол делает процесс активации менее неистовым, более воспроизводимым и более поддающимся масштабированию.
Конъюгированные вакцины, такие как те, которые состоят из полисахаридов, ковалентно связанных с белком-носителем, являются одними из замечательных достижений в вакцинологии1,2. Полисахариды, как Т-клеточные независимые антигены, плохо иммуногенны у младенцев и не вызывают памяти, переключения классов или аффинного созревания антител3. Эти недостатки преодолены в полисахаридных конъюгированных вакцинах4. Поскольку большинство полисахаридов не имеют удобной химической ручки для конъюгации, их сначала необходимо сделать реакционноспособными или «активированными». Активированный полисахарид затем связывают либо непосредственно с белком (или модифицированным белком), либо функционализируют для дополнительной дериватизации перед конъюгацией4. Большинство лицензированных полисахаридных конъюгированных вакцин используют либо восстановительное аминирование, либо цианилирование для активации гидроксилов полисахарида. Цианогенбромид (CNBr), реагент, который ранее использовался для активации хроматографических смол, первоначально использовался для дериватизации полисахаридов. Однако CNBr требует высокого рН, обычно ~ рН 10,5 или выше, чтобы частично депротонировать гидроксилы полисахарида, чтобы они были достаточно нуклеофильными для атаки цианогруппы. Высокий рН может быть вредным для базово-лабильных полисахаридов, и ни CNBr, ни первоначально сформированный активный циано-эфир не являются достаточно стабильными при таком высоком рН.
CDAP (1-циано-4-диметиламинопиридина тетрафторборат; Рисунок 1) был введен Lees et al. для использования в качестве цианилирующего агента для активации полисахаридов5,6. Было обнаружено, что CDAP, который является кристаллическим и простым в обращении, активирует полисахариды при более низком рН, чем CNBr, и с меньшим количеством побочных реакций. В отличие от CNBr, CDAP-активированные полисахариды могут быть непосредственно конъюгированы с белками, упрощая процесс синтеза. CDAP-активированные полисахариды могут быть функционализированы диамином (например, гексановым диамином) или дигидразидом (например, адипиковым дигидразидом, АДГ) для получения амино- или гидразид-дериватизированных полисахаридов. Высокая концентрация гомобифункционального реагента используется для подавления сшивания полисахаридов. Затем аминополисахариды могут быть конъюгированы с использованием любого из множества методов, используемых для конъюгации белка. Гидразид-дериватизированные полисахариды часто связаны с белками с использованием карбодиимидного реагента (например, 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимида (EDAC))7. Дальнейшая оптимизация активации полисахарида CDAP была описана Lees et al.8 и включена в протокол, описанный здесь.
Обзор сопряжения CDAP
Протокол CDAP может быть концептуализирован как две фазы: (1) активация полисахарида и (2) конъюгация активированного полисахарида с белком или лигандом(фиг.2). Целью первого шага является эффективная активация полисахарида, в то время как цель второго – эффективное сопряжение с активированным полисахаридом. Активированный полисахарид связывает два этапа вместе. Эта концептуализация помогает сосредоточиться на критических элементах каждого шага. Рисунок 2 расширяет эту концептуализацию, показывая желаемые реакции активации и связи, а также реакции гидролиза и побочные реакции.
Во время фазы активации тремя основными проблемами являются стабильность CDAP, реакция CDAP с гидроксилами полисахарида и стабильность активированного полисахарида(рисунок 3). Гидролиз CDAP увеличивается с рН, как и гидролиз активированного полисахарида и побочные реакции. Однако реакция CDAP с полисахаридом облегчается повышением рН. Эффективная активация полисахаридов с помощью CDAP требует баланса между 1) реакционной способностью полисахарида и CDAP и 2) гидролизом и побочными реакциями как реагента, так и активированного полисахарида.
В оригинальном протоколе активации CDAP, описанном Lees et al.5,CDAP-активацию полисахаридов проводили при комнатной температуре в небуферируемом растворе рН 9. При этом условии было обнаружено, что скорость активации является быстрой, и активация будет завершена в течение 3 минут. Реакция также сопровождалась быстрым гидролизом CDAP, вызывая быстрое падение рН небуферистого реакционного раствора. Было сложно быстро повысить и поддерживать реакционный рН на целевом значении в такие короткие сроки. В описанном протоколе активацию осуществляли путем добавления CDAP из 100 мг/мл запасного раствора к небуферизованным раствором полисахарида. рН был повышен через 30 с при «равном объеме 0,2 М триэтиламина». Затем через 2,5 мин к реакции активации добавляли белок, который нужно было конъюгировать. Примечательно, что рН этапа активации не контролировался хорошо и, скорее всего, первоначально превышал целевой рН. Быстрая реакция, требующая быстрой регулировки pH, затруднял контроль процесса активации и затруднял масштабирование.
В отличие от оригинального протокола, модифицированный протокол, описанный здесь, имеет два основных улучшения. Во-первых, pH раствора полисахарида предварительно настраивается на целевой активационный pH, используя DMAP в качестве буфера, перед добавлением CDAP. DMAP имеет pKa 9,5 и, таким образом, имеет хорошую буферную мощность около pH 9, и в отличие от многих других буферов, DMAP не был обнаружен для содействия гидролизу CDAP8. Кроме того, DMAP уже является промежуточным продуктом процесса и, следовательно, не добавляет новый компонент в реакционную смесь. Предварительная регулировка pH перед добавлением CDAP устраняет большие колебания pH в начале реакции и позволяет более эффективно сохранять целевой pH во время реакции. Второе улучшение заключается в выполнении реакции активации при 0 °C, где скорость гидролиза CDAP заметно медленнее, чем при комнатной температуре. При более длительном периоде полувыполнеки реагента при 0 °C время активации увеличивается с 3 мин до 15 мин, чтобы компенсировать более медленную скорость активации при более низкой температуре. Более длительное время реакции, в свою очередь, облегчает поддержание рН реакции. Применение 0 °C также замедляет деградацию pH-чувствительных полисахаридов, что позволяет готовить конъюгаты этого типа полисахарида. Улучшения в протоколе делают процесс активации менее неистовым, более простым в управлении, более воспроизводимым и более поддающимся масштабированию.
В данной статье описан усовершенствованный протокол для проведения контролируемой CDAP-активации полисахарида при 0 °C и при заданном целевом рН и выполнения последующей дериватизации активированных полисахаридов АДГ. Также описан анализ тринитробензолсульфоновой кислоты (TNBS), основанный на методе Qi et al.9,для определения уровня гидразида на модифицированном полисахариде. Также описан модифицированный анализ гексосов на основе резорцина и серной кислоты10, который может быть использован для определения более широкого спектра полисахаридов. Для получения дополнительной информации об активации и сопряжении CDAP читатель обращается к более ранним публикациям5,6,8 Lees et al.
CDAP является удобным реагентом для дериватизации и конъюгированных полисахаридов. В этой статье описывается общий метод использования CDAP для дериватизации полисахаридов с гидразидами (PS-ADH) и включены недавно опубликованные улучшения8. Во-первых, методика подчеркивает важность поддержания целевого рН для контроля процесса активации. Мы обнаружили, что, хотя многие распространенные буферы мешают реакции активации CDAP, DMAP может быть успешно использован в качестве буфера для управления pH8. Кроме того, DMAP уже является побочным продуктом реакции активации CDAP. Наконец, буферизация раствора полисахарида с помощью DMAP перед добавлением CDAP облегчает точное нацеливание и поддержание рН реакции. Как мы описываем, полезно регулировать рН концентрированного раствора DMAP таким образом, чтобы при разбавления он достиг целевого рН. Во-вторых, выполнение процесса на холоде замедляло время реакции, делая процесс активации менее неистовым и более снисходительным. Более низкая температура снижает скорость гидролиза CDAP, а оптимальное время активации при рН 9 увеличивается с ~3 мин до ~15 мин. Кроме того, для достижения того же уровня активации требуется меньше CDAP, чем при комнатной температуре.
ADH-дериватизированные полисахариды могут быть конъюгированы с белками с использованием карбодиимидов (например, EDAC)7. Например, несколько лицензированных вакцин Haemophilus influenzae b (Hib) используют полирибозилрибитолфосфат (PRP), производный с АДГ, для конъюгироваться со столбнячному токсину с использованием EDAC. Первоначально использовался CNBr, но CDAP является гораздо более простым реагентом для этой цели. По нашему опыту, хороший целевой диапазон для дериватизации АДГ составляет 10-30 гидразидов на полисахарид 100 кДа или ~1-3% АДГ по весу.
Этот же процесс может быть использован для дериватизации полисахаридов первичными аминами путем замены диамина АДГ. Рекомендуется использовать гександиамин для дериватизации полисахаридов с аминами8. Аминированный полисахарид (PS-NH2)может быть конъюгирован с использованием реагентов, разработанных для конъюгации белка11. Как правило,PS-NH2 дериватизируют с помощью малеимида (например, сукцинимидил-4-[N-малеимидометил]циклогексан-1-карбоксилата (SMCC) или N-γ-малеимидобутирил-оксисукцинимидного эфира (GMBS)), а белок тиолируют (например, сукцинимидил 3-(2-пиридилдитио)пропионатом (SPDP)). Химия тиол-малеимида очень эффективна.
Белки также могут быть напрямую связаны с CDAP-активированными полисахаридами через ɛ-амин на лизинах. Хотя используемый протокол активации в целом аналогичен описанной здесь, необходимо оптимизировать уровень активации, концентрацию полисахарида и белка, а также соотношение белка к полисахариду5,6,8.
Декстран является одним из самых простых полисахаридов для активации с помощью CDAP из-за его относительно высокой плотности гидроксильных групп, но некоторые полисахариды, такие как антиген Vi, могут быть сложными. Следовательно, не существует единого «лучшего» протокола для конъюгации CDAP непосредственно с белками. Мы предлагаем сначала разработать протокол для достижения подходящих уровней активации, определяемых степенью дериватизации гидразида, а затем перейти к прямой конъюгации белка с CDAP-активированным полисахаридом.
The authors have nothing to disclose.
Работа, описанная здесь, финансировалась компанией 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 |