Proteinler ve amin içeren ligandlar, ssiyansiyon reaktifi, 1-cyano-4-dimetilamiopyridine tetrafluoroborate (CDAP) tarafından aktive edilen polisakkaritlere, kurvalent protein (ligand)-polisakkarit konjugeleri oluşturmak için koaktif olarak bağlanabilir. Bu makalede, 0 °C’de kontrollü CDAP aktivasyonu ve değişen pH’da gerçekleştirme ve aktif polisakkaritlerin sonraki konjugasyonunu gerçekleştirmek için geliştirilmiş bir protokol açıklanmaktadır.
Konjuge aşılar aşılarda vaksinolojide dikkate değer gelişmeler vardır. Polisakkarit konjuge aşıların hazırlanması için, polisakkaritler rahatça işlevsel hale getirilebilir ve kullanımı kolay bir siyantüre reaktif olan 1-siyano-4-dimetilamopyridine tetrafluoroborate (CDAP) kullanılarak aşı taşıyıcı proteinlere bağlanabilir. CDAP, pH 7-9’da karbonhidrat hidroksil grupları ile reaksiyona geçerek polisakkaritleri aktive eder. CDAP’nin stabilitesi ve reaktivitesi yüksek oranda pH’a bağlıdır. Reaksiyonun pH’ı, CDAP’nin hidrolizi nedeniyle aktivasyon sırasında da azalır, bu da iyi pH kontrolünü tekrarlanabilir aktivasyonun anahtarı haline getirir. Orijinal CDAP aktivasyon protokolü, oda sıcaklığında unbuffered pH 9 çözeltilerinde gerçekleştirildi.
Bu durumdaki hızlı reaksiyon (<3 dk) ve hızlı CDAP hidrolizinden gelen hızlı pH düşüşü nedeniyle, hedef reaksiyon pH'ını kısa zaman diliminde hızlı bir şekilde ayarlamak ve korumak zordu. Burada açıklanan geliştirilmiş protokol, CDAP hidrolizini yavaşlatan ve aktivasyon süresini 3 dakikadan ~15 dakikaya uzatan 0 °C'de gerçekleştirilir. Dimetilamitropyridin (DMAP), CDAP reaktifini eklemeden önce polisakkarit çözeltisini hedef aktivasyon pH'ına önceden ayarlamak için tampon olarak da kullanılmıştır. Daha uzun reaksiyon süresi, daha yavaş CDAP hidrolizi ve DMAP tamponunun kullanımı ile birleştiğinde, aktivasyon pH'ının aktivasyon işleminin tüm süresi boyunca korunmasını kolaylaştırır. Geliştirilmiş protokol, etkinleştirme işlemini daha az çılgın, daha tekrarlanabilir ve ölçeklendirmeye daha uygun hale getirir.
Bir taşıyıcı proteine aktif olarak bağlı polisakkaritlerden oluşanlar gibi konjuge aşılar, vaccinology1,2‘deki dikkat çekici gelişmeler arasındadır. Polisakkaritler, T hücreden bağımsız antijenler olarak, bebeklerde zayıf immünojeniktir ve antikorların hafızasını, sınıf değiştirmesini veya benzeşim olgunlaşmasını teşvik etmez3. Polisakkarit konjuge aşılarda bu eksiklikler aşılanır4. Çoğu polisakkarit konjugasyon için uygun bir kimyasal tutamağa sahip olmadığı için, önce reaktif veya “aktive” edilmelidir. Aktif polisakkarit daha sonra doğrudan protein (veya değiştirilmiş protein) ile bağlanır veya konjugasyondan önce ek türetme için işlevsel hale getirilir4. Çoğu lisanslı polisakkarit konjuge aşıları, polisakkarit hidroksilleri etkinleştirmek için indirgeyici aminasyon veya siyanilasyon kullanır. Daha önce kromatografi reçinelerini aktive etmek için kullanılan bir reaktif olan siyanojen bromür (CNBr), başlangıçta polisakkarit derivatizasyonu için kullanılmıştır. Bununla birlikte, CNBr, polisakkarit hidroksilleri cyano grubuna saldırmak için yeterince nükleofilik olacak şekilde kısmen deprotone etmek için genellikle ~ pH 10.5 veya daha büyük yüksek pH gerektirir. Yüksek pH baz-labile polisakkaritler için zararlı olabilir ve ne CNBr ne de başlangıçta oluşturulan aktif cyano-ester bu kadar yüksek pH’da yeterince kararlı değildir.
CDAP (1-cyano-4-dimetilamiopyridine tetrafluoroborate; Şekil 1) polisakkaritlerin aktivasyonu için siyansilat maddesi olarak kullanılmak üzereLeesve ark. Kristal ve kullanımı kolay olan CDAP’nin, polisakkaritleri CNBr’den daha düşük bir pH’da ve daha az yan reaksiyonla aktive ettiği bulunmuştur. CNBr’nin aksine, CDAP ile aktive edilen polisakkaritler doğrudan proteinlere eşlenebilir ve sentez sürecini basitleştirebilir. CDAP ile aktive edilen polisakkaritler, amino veya hidrazit türetilmiş polisakkaritler yapmak için bir diamin (örneğin, heksan diamin) veya bir dihidrazit (örneğin, adipik dihidrazit, ADH) ile işlevsel hale getirilebilir. Polisakkaritlerin çapraz bağını bastırmak için yüksek konsantrasyonda homobiyfunctional reaktif kullanılır. Amino polisakkaritler daha sonra protein konjugasyonu için kullanılan sayısız tekniklerden herhangi biri kullanılarak konjuge edilebilir. Hidrazür türetilmiş polisakkaritler genellikle karbodiimid reaktifi (örneğin, 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)karbodiimid (EDAC))kullanılarakproteinlerle birleştirilir. CDAP polisakkarit aktivasyonunun daha da optimizasyonu Lees ve ark.8 tarafından tanımlanmıştır ve burada açıklanan protokole dahil edilmiştir.
CDAP konjugasyonuna genel bakış
CDAP protokolü iki aşama olarak kavramsallaştırılabilir: (1) polisakkaritin aktivasyonu ve (2) aktif polisakkaritin bir protein veya ligand ile konjugasyonu (Şekil 2). İlk adımın amacı polisakkaritleri verimli bir şekilde etkinleştirmek, ikinci adımın amacı ise aktif polisakkaride verimli bir şekilde konjuge etmektir. Aktif polisakkarit iki adımı birbirine bağlar. Bu kavramsallaştırma, her adımın kritik öğelerine odaklanmaya yardımcı olur. Şekil 2, hidroliz reaksiyonları ve yan reaksiyonlarla birlikte istenen aktivasyon ve kavramsal reaksiyonları göstererek bu kavramsallaştırmayı genişletir.
Aktivasyon aşamasında, üç ana endişe CDAP stabilitesi, polisakkarit hidroksillerle CDAP reaksiyoni ve aktif polisakkarit stabilitesidir (Şekil 3). CDAP hidrolizi, aktif polisakkarit ve yan reaksiyonların hidrolizi gibi pH ile artar. Bununla birlikte, polisakkarit ile CDAP reaksiyonı pH artırılır. Cdap ile polisakkaritlerin verimli bir şekilde etkinleştirilmesi, 1) polisakkarit ve CDAP’nin reaktivitesi ve 2) hem reaktifin hem de aktif polisakkaritin hidrolizi ve yan reaksiyonları arasında bir denge gerektirir.
Lees ve ark.5tarafından açıklanan orijinal CDAP aktivasyon protokolünde, polisakkaritlerin CDAP aktivasyonu oda sıcaklığında unbuffered pH 9 çözeltisinde gerçekleştirildi. Etkinleştirme oranının bu durum altında hızlı olduğu ve etkinleştirmenin 3 dakika içinde tamamlanmış olacağı bulunmuştur. Reaksiyona cdap’in hızlı hidrolizi de eşlik etti ve bu da etkilenmemiş reaksiyon çözeltisinin hızlı bir pH düşmesine neden oldu. Bu kadar kısa bir zaman diliminde reaksiyon pH’ını hedef değerde hızlı bir şekilde yükseltmek ve korumak zordu. Açıklanan protokolde, 100 mg/mL stok çözeltisinden unbuffered polisakkarit çözeltisine CDAP eklenerek aktivasyon gerçekleştirildi. pH daha sonra “0.2 M trietilamin eşit hacim” ile 30 s yükseltildi. Konjuge edilecek protein daha sonra aktivasyon reaksiyona 2,5 dk sonra eklendi. Özellikle, aktivasyon adımının pH’ı iyi kontrol edildi ve büyük olasılıkla başlangıçta hedef pH’ı aştı. Hızlı pH ayarı gerektiren hızlı reaksiyon, etkinleştirme işlemini kontrol etmeyi zorlaştırdı ve ölçeklendirmeyi zorlaştırdı.
Özgün protokolün aksine, burada açıklanan değiştirilmiş protokolün iki büyük geliştirmesi vardır. İlk olarak, polisakkarit çözeltisinin pH’ı, CDAP eklenmeden önce arabellek olarak DMAP kullanılarak hedef aktivasyon pH’ına önceden ayarlanır. DMAP 9.5 pKa’ya sahiptir ve bu nedenle pH 9 etrafında iyi tamponlama gücüne sahiptir ve diğer birçok tamponun aksine, DMAP’ın CDAP hidrolizi8’iteşvik ettiği tespit edildi. Ayrıca, DMAP zaten bir proses aradır ve bu nedenle reaksiyon karışımına yeni bir bileşen eklemez. CDAP eklemeden önce pH’ı önceden ayarlamak, reaksiyonun başındaki büyük pH salınımını ortadan kaldırır ve reaksiyon sırasında hedef pH’ın daha verimli bir şekilde korunmasını sağlar. İkinci gelişme, CDAP hidroliz oranının oda sıcaklığındakinden belirgin şekilde daha yavaş olduğu 0 °C’de aktivasyon reaksiyonunu gerçekleştirmektir. 0 °C’de daha uzun reaktif yarı ömrü ile, daha düşük sıcaklıkta daha yavaş aktivasyon oranını telafi etmek için aktivasyon süresi 3 dakikadan 15 dakikaya çıkarılır. Daha uzun reaksiyon süresi, tepki pH’ını korumayı kolaylaştırır. 0 °C kullanımı ayrıca pH’a duyarlı polisakkaritlerin bozulmasını yavaşlatır ve bu da bu tür polisakkarit konjugelerinin hazırlanmasını mümkün hale getirir. Protokoldeki iyileştirmeler, etkinleştirme işlemini daha az çılgın, kontrol etmesi daha kolay, daha tekrarlanabilir ve ölçeklendirmeye daha uygun hale getirir.
Bu makalede, polisakkaritin 0 °C’de ve belirli bir hedef pH’da kontrollü CDAP aktivasyonunun gerçekleştirilmesi ve ADH ile etkinleştirilen polisakkaritlerin daha sonra türetilmesi için geliştirilmiş protokol açıklanmaktadır. Ayrıca, modifiye polisakkarit üzerinde hidrazit seviyesinin belirlenmesi için Qi ve ark.9yöntemine dayanan bir trinitrobenzen sülfik asit (TNBS) tahlildir. Resorcinol ve sülfürik asit10’a dayanan hexozlar için değiştirilmiş bir tahlil de açıklanmıştır, bu da daha geniş bir polisakkarit aralığını belirlemek için kullanılabilir. CDAP aktivasyonu ve konjugasyonu hakkında daha fazla bilgi için okuyucu, Lees ve arkadaşları tarafından öncekiyayınlar 5,6,8’e atıfta bulunulmaktadır.
CDAP, polisakkaritleri türetmek ve konjuge etmek için uygun bir reaktiftir. Bu makalede, hidrazitlerle (PS-ADH) polisakkaritleri türetmek için CDAP’yi kullanmanın genel yöntemi açıklanmaktadır ve yakın zamanda yayınlanan iyileştirmeleri içerir8. İlk olarak, teknik aktivasyon sürecini kontrol etmek için hedef pH’ı korumanın önemini vurgular. Birçok yaygın arabellek CDAP aktivasyon reaksiyonunu müdahale ederken, DMAP’ın pH8‘i yönetmek için arabellek olarak başarıyla kullanılabileceğini bulduk. Ayrıca, DMAP zaten CDAP etkinleştirmesinin bir reaksiyon yan ürünüdür. Son olarak, CDAP’yi eklemeden önce polisakkarit çözeltisinin DMAP ile tamponlaştırılması, reaksiyon pH’ının hassas bir şekilde hedeflenerek bakımını kolaylaştırır. Tarif ettiğimiz gibi, konsantre DMAP stok çözeltisinin pH’ını seyreltildiğinde hedeflenen pH’a ulaşacak şekilde ayarlamak yararlıdır. İkincisi, işlemi soğukta gerçekleştirmek reaksiyon süresini yavaşlattı, aktivasyon sürecini daha az çılgın ve daha bağışlayıcı hale getirdi. Daha düşük sıcaklık CDAP hidroliz oranını azalttı ve pH 9’daki optimum aktivasyon süresi ~3 dakikadan ~15 dakikaya yükseldi. Ek olarak, aynı aktivasyon seviyesini elde etmek için oda sıcaklığında yapılandan daha az CDAP gereklidir.
ADH türevli polisakkaritler karbodiimidler (örneğin, EDAC)7kullanılarak proteinlere eşlenebilir. Örneğin, birkaç lisanslı Hemofili influenzae b (Hib) aşısı, EDAC kullanarak tetanoz toksoidine eşlenerek ADH ile türetilen poliribosylribitolphosphate ‘yi (PRP) kullanır. CNBr başlangıçta kullanıldı, ancak CDAP bu amaç için kullanımı çok daha kolay bir reaktiftir. Deneyimlerimize göre, ADH derivatizasyonu için iyi bir hedef aralığı, 100 kDa polisakkarit başına 10-30 hidrazit veya ağırlıkça ~% 1-3 ADH’dir.
Aynı işlem, ADH’yi bir diamin için ikame larak birincil aminlere sahip polisakkaritleri türetmek için de kullanılabilir. Polisakkaritleri amin8ile türetmek için heksan diamin kullanılması önerilir. Amine polisakkarit (PS-NH2),protein konjugasyonu11için geliştirilen reaktifler kullanılarak eşlenebilir. Tipik olarak, PS-NH2 bir maleimid ile türetilir (örn. succinimidyl 4-[N-maleimidomethyl]cyclohexane-1-karboksilat (SMCC) veya N-γ-maleimidobutyryl -oxysuccinimide ester (GMBS)) ve protein tiyoz edilir (örneğin, süksinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propiyonat (SP ile)DP)). Tiyol-maleimid kimyası çok etkilidir.
Proteinler ayrıca lizinler üzerindeki ɛ-amin yoluyla CDAP ile aktive polisakkaritlerle doğrudan birleşebilir. Kullanılan aktivasyon protokolü genellikle burada açıklanana benzer olsa da, aktivasyon seviyesini, polisakkarit ve protein konsantrasyonunu ve protein:polisakkarit oranı5, 6,8‘ioptimize etmek gerekir.
Dektran, nispeten yüksek hidroksil grubu yoğunluğu nedeniyle CDAP ile aktive edilmesi en kolay polisakkaritlerden biridir, ancak Vi antijeni gibi bazı polisakkaritler zor olabilir. Sonuç olarak, CDAP konjugasyonu için doğrudan proteinlere tek bir “en iyi” protokol yoktur. Öncelikle hidrazür türetme kapsamına göre belirlenen uygun aktivasyon seviyelerine ulaşmak için bir protokol geliştirmeyi ve daha sonra protein konjugasyonunu CDAP ile aktive edilmiş polisakkaride yönlendirmeyi öneriyoruz.
The authors have nothing to disclose.
Burada açıklanan çalışma Fina Biosolutions LLC tarafından finanse edildi.
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 |