Aquí, presentamos un protocolo para detectar epítopos de neutralización en partículas similares a virus (VLP) que muestran antígenos. La inmunoprecipitación de las VLP derivadas del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) se realiza utilizando anticuerpos monoclonales específicos de glicoproteínas de la envoltura acoplados a perlas magnéticas conjugadas con proteína g. Las VLP capturadas se someten posteriormente a SDS-PAGE y western blot-análisis empleando anticuerpos específicos de gag de la proteína del núcleo viral.
El ensayo de captura de partículas similares a virus (VLP) es un método de inmunoprecipitación, comúnmente conocido como “ensayo de extracción” utilizado para purificar y aislar VLP que muestran antígenos. Los anticuerpos específicos de antígeno de superficie se acoplan y, por lo tanto, se inmovilizan en una matriz sólida e insoluble, como las perlas. Debido a su alta afinidad con el antígeno objetivo, estos anticuerpos pueden capturar VLP decorados con el antígeno cognado anclado en la envoltura de membrana de los VLP. Este protocolo describe la unión de anticuerpos específicos de antígeno a perlas magnéticas conjugadas con proteínas A o G. En nuestro estudio, se examinan las VLP derivadas del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) formadas por la proteína precursora del núcleo viral del antígeno específico del grupo (Gag) p55 Gag y que muestran las glicoproteínas de la envoltura (Env) del VIH. Las VLP se capturan utilizando anticuerpos ampliamente neutralizantes (bNAbs) dirigidos contra epítopos sensibles a la neutralización en Env. El ensayo de captura de VLP descrito aquí representa un método sensible y fácil de realizar para demostrar que (i) las VLP están decoradas con el antígeno objetivo respectivo, (ii) el antígeno de superficie conservó su integridad estructural como lo demuestra la unión específica del epítopo de bNAbs utilizada en el ensayo y (iii) la integridad estructural de las VLP revelada por la detección de proteínas Gag en un análisis posterior de Western blot. En consecuencia, la utilización de bNAbs para la inmunoprecipitación facilita una predicción de si las vacunas VLP podrán provocar una respuesta neutralizante de células B en humanos vacunados. Anticipamos que este protocolo proporcionará a otros investigadores un enfoque experimental valioso y directo para examinar posibles vacunas basadas en VLP.
Las partículas similares a los virus (VLP) se asemejan a la estructura de partículas de virus nativas mientras que carecen del genoma viral, proporcionando así un alto perfil de seguridad1,2. Las VLP representan una clase individual de vacunas cada vez más desarrolladas debido a su alta inmunogenicidad3,4,5,6,7. Este es particularmente el caso de las VLP envueltas en membrana, que permiten la visualización no solo de antígenos de superficie viral homólogos, sino también de antígenos heterólogos como los antígenos tumorales8,9,10. La Figura 1 proporciona una visión general ejemplar de la estructura de un VLP envuelto decorado con antígenos. Durante el proceso de desarrollo de vacunas basadas en VLP, los ensayos son indispensables para permitir el análisis del antígeno objetivo respectivo que se muestra en la superficie de VLP. Tales ensayos deben ser instrumentales para dilucidar la composición de una vacuna de partículas: (i) ¿Están las VLP decoradas con el antígeno de superficie respectivo? (ii) ¿Ha conservado el antígeno de superficie su estructura nativa como lo demuestra el reconocimiento del epítopo de anticuerpos neutralizantes (bNAbs) y (iii) se puede confirmar la integridad estructural de las VLP debido a la detección de la proteína viral mediadora de la formación de VLP?
Figura 1: Ilustración esquemática de un VLP envuelto en membrana. Las VLP están formadas por proteínas inmaduras precursoras del núcleo de Gag y rodeadas por una membrana lipídica derivada de la célula huésped. Los antígenos, por ejemplo, glicoproteínas de la envoltura, se incorporan a la membrana lipídica y se muestran en la superficie del VLP (a la derecha). Los anticuerpos específicos del antígeno reconocen el antígeno. A la izquierda, se muestra un VLP calvo sin decoración de antígenos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Especialmente las VLP formadas por la proteína precursora del núcleo del antígeno específico del grupo viral (Gag) p55 del virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1) son andamios preferidos para la visualización de antígenos en el desarrollo de vacunas, ya que hay numerosos anticuerpos, y hay kits ELISA disponibles, lo que permite la cuantificación de estas VLP11,12. Las glicoproteínas de la envoltura del VIH-1 (Env), a saber, la proteína transmembrana gp41 (gp41-TM) y la unidad de superficie soluble gp120 (gp120-SU) formando heterodímeros, se incorporan a la envoltura de membrana de partículas y son antígenos diana cruciales para el desarrollo de vacunas contra la infección por VIH13,14,15 . La visualización de epítopos sensibles a la neutralización en estos antígenos diana es un requisito previo para provocar una respuesta de anticuerpos ampliamente neutralizante en los vacunados. Además de una respuesta de las células T dirigida contra las proteínas Gag, esto se considera un correlato importante de protección contra la infección por VIH16. En consecuencia, y tras el diseño y la producción de VLP decorados con candidatos a antígenos objetivo, el análisis posterior de la calidad de los antígenos mostrados representa un paso crítico en el proceso de desarrollo de vacunas.
La inmunoprecipitación (IP) es una técnica ampliamente utilizada para la detección de interacciones proteína-proteína y la purificación de complejos proteicos a pequeña escala17. Barret et al. Se informó por primera vez sobre el desarrollo de la P.I. en 1960, sin embargo, este método se ha mejorado constantemente. IP permite la captura y aislamiento de un antígeno objetivo (presa) de una solución mediante el empleo de un anticuerpo específico de antígeno (cebo) inmovilizado por acoplamiento a perlas18,19. En este protocolo, demostramos una variación de la aplicación IP clásica utilizando VLP formadas por gag p55 envueltas en membrana como presa y bNAbs que reconocen epítopos sensibles a la neutralización en las proteínas de la envoltura que se muestran en la superficie de las VLP como proteínas de cebo. La aplicación exitosa de este ensayo de captura de VLP facilita la predicción de si las VLP positivas para antígenos probados podrán provocar una respuesta neutralizante de células B en personas vacunadas. Tales propiedades inmunogénicas de las vacunas candidatas basadas en VLP se demuestran con frecuencia en modelos de animales pequeños20,21,22.
Con el fin de evaluar la calidad de la vacuna candidata VLP recientemente desarrollada, se han utilizado con éxito ensayos de captura de VLP5,23,24. Sin embargo, el número de métodos publicados es limitado. El ensayo de captura de VLP presentado aquí comienza con la inmovilización de bNAbs específicos de Env en perlas conjugadas con proteína G, que se unen a la región Fc de anticuerpos derivados de mamíferos. Las matrices típicas para la inmovilización del anticuerpo de elección son la agarosa o las perlas magnéticas. Sin embargo, las perlas magnéticas son favorables para aplicaciones de alto rendimiento25. En el siguiente paso, las VLP que muestran el antígeno objetivo son capturadas por perlas recubiertas de bNAb. Los complejos inmunes formados que consisten en VLP env-positivos y bNAbs inmovilizados se enriquecen fácilmente con un imán. Los complejos inmunes aislados se eluyen en el paso final. Posteriormente, las VLP pueden ser caracterizadas bioquímicamente. Aquí, realizamos un análisis de Western blot empleando anticuerpos específicos de la proteína del núcleo viral p55 Gag para demostrar que los antígenos Env objetivo precipitados no solo albergaban los epítopos sensibles a la neutralización, sino que también se mostraban en VLP formados por Gag. Además, la detección de las proteínas Gag del núcleo viral aumenta la sensibilidad del ensayo de captura ya que las proteínas Gag son más abundantes que Env en un VLP. En el VIH-1, las proteínas Env solo están presentes en un número de uno o dos dígitos26, mientras que más de 3.500 moléculas de Gag forman el núcleo de una partícula27.
En comparación con otras técnicas para el examen de las interacciones proteína-proteína28,29, el ensayo de captura de VLP proporciona un método alternativo para los laboratorios de investigación que no tienen acceso a costosos instrumentos analíticos. Por ejemplo, el análisis microscópico electrónico de transmisión (TEM), la espectroscopia de resonancia de plasmón de superficie (SPR) y el análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA) pueden ser costosos. El ensayo de captura presentado aquí también permite la sujeción posterior de muestras de VLP positivas para antígenos capturados para una mayor caracterización de proteínas, por ejemplo, empleando electroforesis en gel, inmunoblotting, microscopía electrónica y espectrometría de masas (MS), respectivamente. Teniendo en cuenta que la estructura nativa del antígeno objetivo se conserva durante el ensayo de captura de VLP, también se puede utilizar el rendimiento de un PAGE nativo y las técnicas de inmunoblotting posteriores.
El ensayo de captura de VLP representa un método fácil de usar y sensible para examinar la decoración de VLP con antígenos objetivo que exponen epítopos sensibles a la neutralización y, por lo tanto, su utilidad como futuros candidatos a vacunas.
Antes del ensayo de captura de VLP, evalúe la formación de VLP y la expresión del antígeno objetivo en las líneas celulares productoras de VLP. Los métodos instrumentales son el análisis citométrico de flujo de la expresión de la superficie celular del antígeno, así como el ELISA específico del antígeno y la proteína del núcleo viral de CFSN y VLP granuladas.
Los pasos críticos del ensayo de captura de VLP son el recubrimiento de las perlas con anticuerpos de captura, aquí bNAbs, y la posterior captura de las VLP positivas para antígenos por las perlas recubiertas de anticuerpos. El recubrimiento exitoso de las perlas con anticuerpos depende de la elección de la proteína de unión a inmunoglobulina (Ig) conjugada. Las especies donantes, así como la clase Ig de los anticuerpos, determinan si las perlas conjugadas con proteína G o proteína A son preferibles. Para la mayoría de las especies y clases de Ig, la proteína G es el ligando de elección33. Como alternativa a las perlas conjugadas con proteína A/G, están disponibles perlas de estreptavidina para el recubrimiento con anticuerpos biotinilados. Las perlas también se pueden acoplar covalentemente con anticuerpos.
La captura de las VLP por perlas recubiertas de anticuerpos depende de una mezcla exhaustiva, un tiempo de incubación suficiente, la abundancia de antígenos y la afinidad del anticuerpo de captura. En nuestra experiencia, la mezcla exhaustiva de las perlas recubiertas de anticuerpos con las muestras de VLP se logra mejor mediante la utilización de volúmenes >500 μL en tubos de 1,5 ml en rotación durante al menos 2 h a temperatura ambiente o 4 ° C. Otro obstáculo potencial es la cantidad demasiado baja de VLP en la muestra. Para los anticuerpos que se unen fuertemente al antígeno objetivo, las entradas de VLP tan bajas como 15 ng de proteína Gag generalmente permiten cantidades fácilmente detectables de las proteínas del núcleo viral utilizando el análisis de Western blot. Sin embargo, los anticuerpos de baja afinidad requieren mayores cantidades de entrada, por ejemplo, 100 ng de proteína Gag, para obtener resultados concluyentes (Figura 3, bNAb 3).
Algunos antígenos de superficie son propensos a la degradación de la proteasa. Aquí, recomendamos la adición de inhibidores de la proteasa a las muestras de VLP y la incubación a 4 °C. La adhesión inespecífica de las proteínas de la célula huésped y las VLP a los anticuerpos unidos a la perla rara vez se observa y debe excluirse mediante la utilización de controles negativos apropiados, como demostramos aquí utilizando muestras de VLP simuladas y calvas y anticuerpos de control de isotipos. Las estrategias para reducir la unión inespecífica incluyen pasos de lavado prolongados y la adición de caseína en el tampón de lavado34. Además, el ensayo de captura también puede mejorarse determinando la proporción óptima de anticuerpos a la cantidad de VLP que muestra el antígeno.
En el último paso del ensayo de captura de VLP, describimos la elución de los complejos inmunes de las perlas por ebullición en la reducción del tampón de Laemmli. Durante este paso, las VLP se desmontan y los anticuerpos de captura y los antígenos diana se separan de las perlas. En particular, la especie donante del anticuerpo primario utilizado en el posterior análisis de Western blot tiene que diferir del donante del anticuerpo de captura para evitar la detección no intencionada del anticuerpo de captura por los anticuerpos conjugados secundarios igG HRP antidonante.
El ensayo de captura de VLP presentado aquí proporciona un método fácil de usar y sensible para detectar epítopos sensibles a la neutralización en antígenos objetivo estructurales intactos que se muestran en las superficies de VLP. Sin embargo, el ensayo de captura no permite la cuantificación directa del epítopo. Los ELISA realizados con bNAbs son fundamentales para este fin y deben realizarse en paralelo, especialmente si las VLP examinadas están destinadas a ser utilizadas en estudios preclínicos que emplean modelos animales35. Esto es fundamental, ya que la cantidad de antígeno puede correlacionarse directamente con la elicitación de una respuesta de anticuerpos neutralizantes en animales inmunizados, como se muestra para las vacunas contra circovirus porcinos tipo 2 (PCV2)36.
Una vacuna ideal debe resultar en la elicitación de bNAbs dirigidos a los epítopos sensibles a la neutralización en la superficie del virión. El análisis de estos epítopos, especialmente en referencia a su plena integridad estructural en la superficie de la vacuna particulada, es crucial para identificar posibles candidatos a vacunas. Este no es solo el caso de las VLP derivadas del VIH, sino también de muchas otras vacunas VLP en desarrollo37. Las vacunas prominentes basadas en VLP son, por ejemplo, derivadas de virus parentales no envueltos o en cápside, como el virus del papiloma humano (VPH). A diferencia de las partículas del VIH-1, que están formadas por una sola proteína estructural del núcleo, a saber, p55 Gag, y envueltas por la membrana que se origina en la célula productora de VLP, las partículas del VPH consisten en solo una o dos proteínas estructurales del núcleo38,39. Del mismo modo, y como se presenta aquí para VLP envueltos, el ensayo de captura VLP también puede ser aplicable a la detección de epítopos sensibles a la neutralización de VLP no envueltos.
Como alternativa al ensayo de captura, las muestras de VLP se pueden someter directamente a PAGE nativo seguido de un análisis de Western blot utilizando bNAbs y anticuerpos secundarios apropiados acoplados a HRP40. Sin embargo, y para el análisis de VLP decoradas con VIH Env, este ensayo es menos sensible ya que solo se puede esperar un bajo número de proteínas de antígeno por VLP. Por el contrario, el ensayo de captura facilita la detección de las proteínas centrales abundantes en grandes cantidades por VLP, en el caso de las VLP derivadas del VIH más de 3.500 proteínas Gag forman un VLP27. Esto permite la detección indirecta muy sensible de epítopos en Env que se muestran incluso a bajas densidades en VLP.
El número de métodos bien establecidos para examinar los epítopos sensibles a la neutralización en los antígenos de superficie de las VLP es limitado. El etiquetado de los antígenos mostrados en las VLP es posible con conjugados anticuerpo-fluoróforo específicos del epítopo y la posterior detección mediante análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA), lo que permite la detección y cuantificación de VLP. Este método también ha sido desarrollado y optimizado con éxito para exosomas que presentan marcadores de superficie celular41. Además, la espectroscopia de resonancia de plasmón de superficie (SPR) permite el análisis de las interacciones entre los anticuerpos neutralizantes no conjugados y los epítopos afines presentados en las VLP. Aunque no es adecuado para análisis de mayor rendimiento, las VLP también se pueden etiquetar con bNAbs acoplados a partículas de oro y posterior transmisión electrónica microscópica (TEM)-examen42.
En conclusión, el ensayo de captura de VLP proporciona algunas ventajas considerables: (i) Evaluación de la integridad estructural de epítopos sensibles a la neutralización en la superficie de VLP, (ii) detección sensible e indirecta de antígenos incluso cuando se muestran a bajas densidades en VLP, y (iii) el método no requiere equipos analíticos costosos.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por una subvención del Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación, programa de financiación Forschung an Fachhochschulen, números de contrato 13FH767IA6 y 13FH242PX6 a JS. Las figuras 1 y 2 se crearon con BioRender.com.
1.5 mL reaction tubes | Eppendorf | ||
10x PBS | gibco | 70011044 | |
4%–15% Mini-PROTEAN TGX stain-free protein gels | BioRad | 4568085 | |
Antibodies (bnAbs) | Polymun Scientic | ||
Isotype control antibody | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | 02-7102 | |
Chemidoc XRS+ imaging system | BioRad | 1708265 | |
Chicken anti-rabbit IgG HRP-coupled | Life technologies | A15987 | 1:5000 in TBS-T + 2 % (w/v) powdered milk |
Dynabeads Protein G Immunoprecipitation Kit | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | 10007D | includes buffers and washing solutions |
FreeStyle 293-F cells | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | R790-07 | |
FreeStyle 293 Expression Medium | invitrogen (Thermo Fisher Scientific) | 12338026 | |
Gel blotting papers | Whatman | GB005 | |
Glycine | Carl Roth | 0079 | blotting buffer |
Magnetic separation rack | New England Biolabs | S1509S | for 12 x 1.5 mL or 6 x 1.5 mL tubes |
Methanol | Carl Roth | 4627 | blotting buffer |
Mini-PROTEAN Tetra Cell electrophoresis system | BioRad | ||
Optima XE-90 ultracentrifuge | Beckman Coulter | ||
PageRuler prestained protein ladder | Thermo Scientific | 26616 | |
Polyvinylidene fluoride (PVDF) syringe filters, 0.45 µm | Carl Roth | KC89.1 | |
Powdered milk | Carl Roth | T145 | blocking buffer |
PVDF transfermembrane, 0.45 µm | Carl Roth | T830.1 | |
QuickTiter HIV p24 ELISA | Cell Biolabs | VPK-108-H | |
Rabbit polyclonal to HIV1 p55 + p24 + p17 | abcam | ab63917 | 1:2000 in TBS-T + 2 % (w/v) powdered milk |
Rotator | Heidolph | REAX2 | |
ROTI Load 1 (laemmli buffer) | Carl Roth | K929.1 | 4x concentrated reducing protein gel loading buffer |
ROTIPHORESE 10x SDS-PAGE | Carl Roth | 3060 | |
Sodium chloride | Carl Roth | 3957 | TBS-T buffer |
SuperSignal West Pico PLUS chemiluminescent substrate | Thermo Scientific | 34579 | |
SW28 rotor | Beckman Coulter | ||
Thermomixer | Cel Media | basic | |
Trans-Blot Turbo | BioRad | ||
Trehalose dihydrate | Carl Roth | 8897.2 | |
TRIS | Carl Roth | 5429 | blotting buffer |
TRIS hydrochloride | Carl Roth | 9090 | TBS-T buffer |
Tween-20 | Carl Roth | 9127 | TBS-T buffer |
Ultra Clear centrifuge tubes | Beckman Coulter | 344058 |