Las proteínas y los ligandos que contienen aminas pueden unrse covalentemente a polisacáridos activados por el reactivo de cianilación, 1-ciano-4-dimetilaminopiridina tetrafluoroborato (CDAP), para formar conjugados de proteína covalente (ligando)-polisacárido. Este artículo describe un protocolo mejorado para llevar a cabo la activación controlada de CDAP a 0 °C y variando el pH y realizar la posterior conjugación de los polisacáridos activados.
Las vacunas conjugadas son avances notables en vacunología. Para la preparación de vacunas conjugadas de polisacáridos, los polisacáridos se pueden funcionalizar convenientemente y vincularse a proteínas portadoras de vacunas utilizando tetrafluoroborato de 1-ciano-4-dimetilaminopiridina (CDAP), un reactivo cianilante fácil de manejar. CDAP activa los polisacáridos reaccionando con los grupos hidroxilo de carbohidratos a pH 7-9. La estabilidad y la reactividad de CDAP son altamente dependientes del pH. El pH de la reacción también disminuye durante la activación debido a la hidrólisis de CDAP, lo que hace que un buen control del pH sea la clave para la activación reproducible. El protocolo de activación original de CDAP se realizó a temperatura ambiente en soluciones de pH 9 sin búfer.
Debido a la rápida reacción bajo esta condición (<3 min) y la rápida caída de pH que la acompaña de la hidrólisis rápida de CDAP, fue difícil ajustar y mantener rápidamente el pH de reacción objetivo en el corto período de tiempo. El protocolo mejorado descrito aquí se realiza a 0 °C, lo que ralentiza la hidrólisis de CDAP y extiende el tiempo de activación de 3 min a ~15 min. La dimetilaminopiridina (DMAP) también se utilizó como tampón para preajustar la solución de polisacáridos al pH de activación objetivo antes de agregar el reactivo CDAP. El mayor tiempo de reacción, junto con la hidrólisis CDAP más lenta y el uso de tampón DMAP, facilita el mantenimiento del pH de activación durante todo el proceso de activación. El protocolo mejorado hace que el proceso de activación sea menos frenético, más reproducible y más susceptible de ampliación.
Las vacunas conjugadas, como las que consisten en polisacáridos unidos covalentemente a una proteína portadora, se encuentran entre los notables avances en vacunología1,2. Los polisacáridos, como antígenos independientes de las células T, son poco inmunogénicos en los lactantes y no inducen memoria, cambio de clase o maduración de afinidad de anticuerpos3. Estas deficiencias se superan en las vacunas conjugadas con polisacáridos4. Como la mayoría de los polisacáridos no tienen un mango químico conveniente para la conjugación, primero deben hacerse reactivos o “activados”. El polisacárido activado se une directamente con la proteína (o proteína modificada) o se funcionaliza para una derivatización adicional antes de la conjugación4. La mayoría de las vacunas conjugadas con polisacáridos autorizadas utilizan aminación reductora o cianilación para activar los hidroxilos polisacáridos. El bromuro de cianógeno (CNBr), un reactivo que se había utilizado previamente para activar resinas de cromatografía, se utilizó inicialmente para la derivatización de polisacáridos. Sin embargo, CNBr requiere un pH alto, típicamente ~ pH 10.5 o mayor, para desprotonar parcialmente los hidroxilos polisacáridos para que sean lo suficientemente nucleófilos como para atacar al grupo ciano. El pH alto puede ser perjudicial para los polisacáridos lábiles de base, y ni el CNBr ni el cianoéster activo formado inicialmente son lo suficientemente estables a un pH tan alto.
CDAP (1-ciano-4-dimetilaminopiridina tetrafluoroborato; Figura 1) fue introducido por Lees et al. para su uso como agente cianilante para la activación de polisacáridos5,6. Se encontró que CDAP, que es cristalino y fácil de manejar, activa los polisacáridos a un pH más bajo que el CNBr y con menos reacciones secundarias. A diferencia de CNBr, los polisacáridos activados por CDAP se pueden conjugar directamente con proteínas, simplificando el proceso de síntesis. Los polisacáridos activados por CDAP se pueden funcionalizar con una diamina (por ejemplo, diamina hexano) o una dihidrazida (por ejemplo, dihidrazida adípica, ADH) para fabricar polisacáridos derivados de aminoácidos o hidrazidas. Se utiliza una alta concentración del reactivo homobifuncional para suprimir la reticulación de polisacáridos. Los polisacáridos amino se pueden conjugar utilizando cualquiera de las innumerables técnicas utilizadas para la conjugación de proteínas. Los polisacáridos derivados de hidrazidas a menudo se acoplan a proteínas utilizando un reactivo de carbodiimida (por ejemplo, 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)carbodiimida (EDAC))7. La optimización adicional de la activación de polisacáridos CDAP ha sido descrita por Lees et al.8 y se incorpora al protocolo descrito aquí.
Descripción general de la conjugación CDAP
El protocolo CDAP se puede conceptualizar como dos fases: (1) la activación del polisacárido y (2) la conjugación del polisacárido activado con una proteína o ligando (Figura 2). El objetivo del primer paso es activar eficientemente el polisacárido, mientras que el objetivo del segundo es conjugar eficientemente con el polisacárido activado. El polisacárido activado une los dos pasos. Esta conceptualización ayuda a centrarse en los elementos críticos de cada paso. La Figura 2 amplía esta conceptualización, mostrando las reacciones de activación y acoplamiento deseadas, junto con las reacciones de hidrólisis y las reacciones secundarias.
Durante la fase de activación, las tres principales preocupaciones son la estabilidad del CDAP, la reacción del CDAP con los hidroxilos polisacáridos y la estabilidad del polisacárido activado(Figura 3). La hidrólisis cdAP aumenta con el pH, al igual que la hidrólisis del polisacárido activado y las reacciones secundarias. Sin embargo, la reacción CDAP con el polisacárido se facilita al aumentar el pH. La activación eficiente de polisacáridos con CDAP requiere un equilibrio entre 1) la reactividad del polisacárido y CDAP y 2) la hidrólisis y las reacciones secundarias tanto del reactivo como del polisacárido activado.
En el protocolo de activación cdAP original descrito por Lees et al.5,la activación CDAP de polisacáridos se llevó a cabo a temperatura ambiente en solución de pH 9 sin búfer. Se encontró que la tasa de activación era rápida bajo esta condición, y la activación se completaría en 3 minutos. La reacción también se acompañó de una hidrólisis rápida de CDAP, causando una rápida caída del pH de la solución de reacción sin búfer. Fue un desafío elevar rápidamente y mantener el pH de reacción en el valor objetivo en un período de tiempo tan corto. En el protocolo descrito, la activación se realizó mediante la adición de CDAP de una solución de stock de 100 mg/ml a la solución de polisacáridos sin búfer. El pH se elevó 30 s más tarde con “un volumen igual de 0,2 M de trietilamina”. La proteína a conjugar se agregó después de 2,5 min a la reacción de activación. En particular, el pH del paso de activación no estaba bien controlado y lo más probable es que inicialmente excediera el pH objetivo. La reacción rápida que requería un ajuste rápido del pH hizo que el proceso de activación fuera difícil de controlar y difícil de escalar.
A diferencia del protocolo original, el protocolo modificado descrito aquí tiene dos mejoras importantes. En primer lugar, el pH de la solución de polisacáridos se ajusta previamente al pH de activación objetivo, utilizando DMAP como tampón, antes de la adición de CDAP. DMAP tiene un pKa de 9.5 y, por lo tanto, tiene un buen poder de amortiguación alrededor del pH 9, y a diferencia de muchos otros tampones, no se encontró que DMAP promueva la hidrólisis cdAP8. Además, DMAP ya es un proceso intermedio y, por lo tanto, no agrega un nuevo componente a la mezcla de reacción. El ajuste previo del pH antes de agregar CDAP elimina la gran oscilación del pH al comienzo de la reacción y permite un mantenimiento más eficiente del pH objetivo durante la reacción. La segunda mejora es realizar la reacción de activación a 0 °C, donde la tasa de hidrólisis cdAP es marcadamente más lenta que la de temperatura ambiente. Con la vida media del reactivo más larga a 0 °C, el tiempo de activación se incrementa de 3 min a 15 min para compensar la tasa de activación más lenta a la temperatura más baja. El mayor tiempo de reacción, a su vez, hace que sea más fácil mantener el pH de reacción. El uso de 0 °C también ralentiza la degradación de los polisacáridos sensibles al pH, lo que permite preparar conjugados de este tipo de polisacáridos. Las mejoras en el protocolo hacen que el proceso de activación sea menos frenético, más fácil de controlar, más reproducible y más susceptible de escalar.
Este artículo describe el protocolo mejorado para llevar a cabo la activación controlada cdAP del polisacárido a 0 °C y a un pH objetivo especificado y realizar la derivatización posterior de los polisacáridos activados con ADH. También se describe un ensayo de ácido trinitrobenceno sulfónico (TNBS), basado en el método de Qi et al.9,para la determinación del nivel de hidrazida en el polisacárido modificado. También se describe un ensayo modificado para hexosas basado en resorcinol y ácido sulfúrico10, que se puede utilizar para determinar una gama más amplia de polisacáridos. Para obtener más información sobre la activación y conjugación de CDAP, se remite al lector a las publicaciones anteriores5,6,8 de Lees et al.
CDAP es un reactivo conveniente para derivar y conjugar polisacáridos. Este artículo describe el método general para utilizar CDAP para derivar los polisacáridos con hidrazidas (PS-ADH) e incorpora mejoras publicadas recientemente8. En primer lugar, la técnica enfatiza la importancia de mantener el pH objetivo para controlar el proceso de activación. Encontramos que si bien muchos búferes comunes interfieren con la reacción de activación de CDAP, DMAP podría usarse con éxito como búfer para administrar el pH8. Además, DMAP ya es un subproducto de reacción de la activación de CDAP. Finalmente, el almacenamiento en búfer de la solución de polisacáridos con DMAP antes de agregar el CDAP facilita la orientación precisa y el mantenimiento del pH de reacción. Como describimos, es útil ajustar el pH de la solución de stock DMAP concentrada de tal manera que cuando se diluya, alcance el pH objetivo. En segundo lugar, realizar el proceso en frío ralentizó el tiempo de reacción, haciendo que el proceso de activación fuera menos frenético y más indulgente. La temperatura más baja disminuyó la tasa de hidrólisis de CDAP, y el tiempo óptimo de activación a pH 9 aumenta de ~ 3 min a ~ 15 min. Además, se requiere menos CDAP para lograr el mismo nivel de activación que cuando se realiza a temperatura ambiente.
Los polisacáridos derivados de ADH se pueden conjugar con proteínas utilizando carbodiimidas (por ejemplo, EDAC)7. Por ejemplo, varias vacunas autorizadas contra Haemophilus influenzae b (Hib) utilizan el polirribosilribitolfosfato (PRP) derivado con ADH para conjugar con toxoide tetánico utilizando EDAC. CNBr se empleó inicialmente, pero CDAP es un reactivo mucho más fácil de usar para este propósito. En nuestra experiencia, un buen rango objetivo para la derivatización de ADH es 10-30 hidrazidas por polisacárido de 100 kDa o ~ 1-3% de ADH en peso.
El mismo proceso se puede utilizar para derivar polisacáridos con aminas primarias sustituyendo la ADH por una diamina. Se recomienda utilizar hexano diamina para derivar polisacáridos con aminas8. El polisacárido nominado (PS-NH2)puede ser conjugado utilizando reactivos desarrollados para la conjugación de proteínas11. Típicamente, el PS-NH2 se deriva con una maleimida (por ejemplo, succinimidil 4-[N-maleimidometil]ciclohexano-1-carboxilato (SMCC) o N-γ-maleimidobutiril-éster de oxisuccinimida (GMBS)), y la proteína es tiolada (por ejemplo, con succinimidil 3-(2-piridilditio)propionato (SPDP)). La química tiol-maleimida es muy eficiente.
Las proteínas también se pueden acoplar directamente a los polisacáridos activados por CDAP a través de la ɛ-amina en las lisinas. Si bien el protocolo de activación utilizado es generalmente similar al descrito aquí, es necesario optimizar el nivel de activación, la concentración de polisacáridos y proteínas, así como la relación proteína:polisacárido5,6,8.
El dextrano es uno de los polisacáridos más fáciles de activar con CDAP debido a su densidad relativamente alta de grupos hidroxilo, pero algunos polisacáridos, como el antígeno Vi, pueden ser un desafío. En consecuencia, no existe un único “mejor” protocolo para la conjugación cdAP directamente a las proteínas. Sugerimos primero desarrollar un protocolo para lograr niveles adecuados de activación, según lo determinado por el grado de derivatización de la hidrazida, y luego proceder a la conjugación directa de proteínas al polisacárido activado por CDAP.
The authors have nothing to disclose.
El trabajo descrito aquí fue financiado por 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 |