JoVE Journal > Immunology and Infection
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Immunology and Infection

טכניקת תפוקה גבוהה מבוססת ציטומטריה של זרימה לבדיקת תרופות מעכבות אינטגרין

Published: February 02, 2024
doi:
10.3791/64401
, , , ,
1Department of Immunology, School of Medicine,UConn Health, 2Center for Molecular Discovery,University of New Mexico Health Sciences Center, 3Comprehensive Cancer Center,University of New Mexico Health Sciences Center, 4Department of Pathology,University of New Mexico Health Sciences Center, 5Autophagy, Inflammation, & Metabolism (AIM) Center,University of New Mexico

Summary

פרוטוקול זה מתאר שיטת סינון מבוססת ציטומטריה של זרימה בתפוקה גבוהה לזיהוי תרופות במולקולות קטנות המעכבות הפעלת אינטגרין β2 על נויטרופילים אנושיים.

Abstract

פרוטוקול זה נועד לבסס שיטה לזיהוי אנטגוניסטים מולקולריים קטנים של הפעלת אינטגרין β2, תוך שימוש בנוגדנים המדווחים על שינויים קונפורמטיביים וציטומטריית זרימה בתפוקה גבוהה. השיטה יכולה לשמש גם כמדריך לשיטות סינון אחרות מבוססות נוגדנים בתפוקה גבוהה. אינטגרינים β2 הם מולקולות הידבקות ספציפיות לויקוציטים החיוניות לתגובות חיסוניות. נויטרופילים מסתמכים על הפעלת אינטגרין כדי לצאת מזרם הדם, לא רק כדי להילחם בזיהומים אלא גם כדי להיות מעורבים במחלות דלקתיות מרובות. שליטה בהפעלת אינטגרין β2 מציגה גישה בת קיימא לטיפול במחלות דלקתיות הקשורות לנויטרופילים. בפרוטוקול זה, נוגדן חד-שבטי, mAb24, אשר נקשר באופן ספציפי לכיסוי הראש בעל הזיקה הגבוהה של אינטגרינים β2, משמש לכימות הפעלת אינטגרין β2 על נויטרופילים אנושיים ראשוניים מבודדים. N-formylmethionyl-leucyl-phenylalanine (fMLP) משמש כגירוי להפעלת אינטגרינים β2 נויטרופילים. במחקר זה נעשה שימוש בציטומטר זרימה בתפוקה גבוהה המסוגל להריץ באופן אוטומטי דגימות לוחות של 384 בארות. ההשפעות של 320 כימיקלים על עיכוב אינטגרין β2 מוערכות תוך 3 שעות. באמצעות גישה זו ניתן לזהות מולקולות התוקפות ישירות לאינטגרינים β2 או מולקולות מטרה במסלול איתות ההפעלה מבפנים החוצה המופעל על ידי קולטן G המצומד לחלבון.

Introduction

מחלות דלקתיות רבות מאופיינות בחדירת נויטרופילים באתר של נפיחות או פציעה1. כדי לחדור לרקמות אלה, נויטרופילים חייבים להשלים את מפל גיוס הנויטרופילים, הכולל מעצר לאנדותל, אקסטרווזיה על פני דופן כלי הדם, וגיוס לרקמה2. נויטרופילים במחזור הדם זקוקים להפעלת אינטגרין β2 כדי להשלים מפל זה, במיוחד עבור שלב המעצר. לפיכך, תרופות מעכבות אינטגרין המפחיתות הידבקות נויטרופילים, אקסטרווציה וגיוס עשויות לטפל ביעילות במחלות דלקתיות 3,4.

אינטגרינים β2 היו יעד למחלות דלקתיות בעבר. Efalizumab, נוגדן חד שבטי המכוון ישירות לאינטגרין αLβ2, פותח לטיפול בפסוריאזיס5. עם זאת, efalizumab נסוג בשל תופעת הלוואי הקטלנית שלה – leukoencephalopathy multifocal מתקדם כתוצאה הפעלה מחדש של וירוס JC 6,7. טיפולים חדשים מבוססי אינטגרין אנטי דלקתיים צריכים לשקול שמירה על הפונקציות נוגדות הזיהום של לויקוציטים כדי למזער את תופעות הלוואי. תופעות הלוואי של efalizumab עשויות לנבוע ממחזור ממושך של נוגדנים חד שבטיים בזרם הדם, אשר עלול לעכב את תפקוד החיסון בטווח הארוך8. מחקר שנערך לאחרונה מראה כי efalizumab מתווך αLβ2 crosslinking ואת הפנמה לא רצויה של אינטגרינים α4, מתן הסבר חלופי לתופעות הלוואי9. לכן, אנטגוניסטים קצרי מועד, מולקולות קטנות, עשויים להימנע מבעיה זו.

שיטה בעלת תפוקה גבוהה לסינון אנטגוניסטים אינטגרין של מולקולות קטנות β2 באמצעות נויטרופילים אנושיים מוצגת כאן. הפעלת אינטגרין β2 דורשת שינויים קונפורמטיביים של אקטודומיין האינטגרין כדי לקבל גישה ולהגדיל את זיקתו לליגנד שלו. במודל Switchblade הקנוני, אקטודומיין האינטגרין הסגור המכופף מתרחב תחילה לקונפורמציה מורחבת-סגורה ולאחר מכן פותח את כיסוי ראשו לקונפורמציה מורחבת-פתוחה המופעלת במלואה10,11,12,13. יש גם מסלול חלופי שמתחיל מהכפוף-סגור לכפוף-פתוח ומורחב-פתוח, בסופו של דבר 14,15,16,17,18,19. הנוגדן הספציפי לקונפורמציה mAb24 נקשר לאפיטופ בתחום דמוי β2-I האנושי כאשר כיסוי הראש של האקטודומיין פתוח20,21,22,23.

כאן, mAb24-APC משמש כדי לקבוע אם אינטגרינים β2 מופעלים. כדי להפעיל נויטרופילים ואינטגרין, N-formylmethionyl-leucyl-phenylalanine (fMLP), פפטיד כימוטקטי קצר שמקורו בחיידקים שיכול להפעיל נויטרופילים β2 integrins24, משמש כגירוי בפרוטוקול זה. כאשר fMLP נקשר ל-Fpr1 על נויטרופילים, מופעלים מפלים איתות במורד הזרם המערבים חלבוני G, פוספוליפאז Cβ ופוספואינוסיטיד 3-קינאז γ. אירועי איתות אלה גורמים בסופו של דבר להפעלת אינטגרין דרך מסלול האיתות מבפנים החוצה18,25. מלבד אנטגוניסטים של מולקולות קטנות שנקשרים ישירות לאינטגרינים β2 ומונעים שינויים קונפורמטיביים של הפעלת אינטגרין26, תרכובות שיכולות לעכב רכיבים במסלול איתות ההפעלה של אינטגרין β2 מבפנים החוצה יזוהו גם בשיטה זו. ציטומטרים אוטומטיים של זרימה מאפשרים סינון בתפוקה גבוהה. זיהוי אנטגוניסטים חדשים עשוי לא רק להעמיק את הבנתנו בפיזיולוגיה של אינטגרין, אלא גם לספק תובנה תרגומית לטיפול אנטי-דלקתי מבוסס אינטגרין.

Protocol

דגימות דם מלא הופרינו התקבלו מתורמים אנושיים בריאים שעברו ביטול זיהוי לאחר קבלת הסכמה מדעת, כפי שאושרה על ידי מועצת הביקורת המוסדית של UConn Health, בהתאם לעקרונות הצהרת הלסינקי. התקבלה הסכמה מדעת מכל התורמים. קריטריוני ההכללה/אי-הכללה במחקר זה פותחו בקפידה כדי להבטיח את התאמת המשתתפים ולמזער ?…

Representative Results

נתונים מבדיקת לוחות 384 בארות מייצגת (איור 4) גילו כי לבקרות שליליות היה MFI של mAb24-APC של 3236 ± 110, בעוד שלבקרות חיוביות היה MFI של mAb24-APC של 7588 ± 858. מקדם Z’ עבור צלחת זו הוא בערך 0.33, שהוא בטווח מקובל31. עם זאת, Z’ דורש אימות נוסף במבחני משנה. כדי לנרמל את הנתונים,…

Discussion

ההתחלה והסיום של גירוי נויטרופילים וצביעה נקבעים על ידי תוספת של נויטרופילים ו- PFA קיבוע. לכן, הבטחת מרווח זמן זהה בין צנרת נויטרופילים או PFA לתוך כל עמודה היא קריטית. זה מבטיח שהגירוי וזמן הצביעה של נויטרופילים מכל באר יישאר עקבי. בשל תוחלת החיים הקצרה של נויטרופילים, הניסוי כולו, החל מאיסו?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מודים לד”ר אוון ג’ליסון וגב’ לי ג’ו בליבת ציטומטריית הזרימה ב- UConn Health על עזרתם בציטומטריית זרימה, לד”ר לין פודינגטון במחלקה לאימונולוגיה ב- UConn Health על תמיכתה במכשירים, לגב’ סלאווה גאייבסקה ולד”ר פול אפלטון בליבת המחקר הקליני ב- UConn Health על עזרתם בהשגת דגימות דם. אנו מודים לד”ר כריסטופר “קיט” בונין ולד”ר ז’נבה הרגיס מבית הספר לרפואה של UConn על עזרתם בכתיבה מדעית ובעריכה של כתב יד זה. מחקר זה נתמך על ידי מענקים מהמכונים הלאומיים לבריאות, המכון הלאומי ללב, ריאות ודם (R01HL145454), המכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים (P20GM121176), ארה”ב, פרס פיתוח קריירה מאיגוד הלב האמריקאי (18CDA34110426), וקרן סטארט-אפ מ- UConn Health. איור 1 נוצר באמצעות BioRender.com.

Materials

16-channel pipettes Thermo 4661090N Instrument
384-well plate Greiner 784201 Materials
APC anti-human CD11a/CD18 (LFA-1) Antibody Clone: m24 BioLegend 363410 Reagents
Bravo Automated Liquid Handling Platform  Agilent 16050-102 384 multi-channel liquid handler
Centrifuge Eppendorf Model 5810R Instrument
FlowJo Becton, Dickinson & Company NA Software
Human Serum Albumin Solution (25%) GeminiBio 800-120 Reagents
Lifitegrast Thermofisher  50-208-2121 Reagents
Nexinhib20 Tocris 6089 Reagents
N-Formyl-Met-Leu-Phe (fMLP) Sigma F3506 Reagents
Paraformaldehyde 16% solution Electron Microscopy Sciences 15710 Reagents
Plate buckets Eppendorf UL155 Accessory
Plate shaker  Fisher 88-861-023 Instrument
PolymorphPrep PROGEN 1895 (previous 1114683) Reagents
Prestwick Chemical Library Compound Plates (10 mM) Prestwick Chemical Libraries Ver19_384 1520 small molecules, 98% marketed approved drugs (FDA, EMA, JAN, and other agencies approved)
RPMI 1640 Medium, no phenol red Gibco 11-835-030 Reagents
Swing-bucket rotor  Eppendorf A-4-62 Rotor
ZE5 Cell Analyzer Bio-Rad Laboratories Model ZE5 Instrument
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Herrero-Cervera, A., Soehnlein, O., Kenne, E. Neutrophils in chronic inflammatory diseases. Cellular & Molecular Immunology. 19 (2), 177-191 (2022).
  2. Sadik, C. D., Kim, N. D., Luster, A. D. Neutrophils cascading their way to inflammation. Trends in immunology. 32 (10), 452-460 (2011).
  3. Mitroulis, I. et al. Leukocyte integrins: Role in leukocyte recruitment and as therapeutic targets in inflammatory disease. Pharmacology & Therapeutics. 147, 123-135 (2015).
  4. Slack, R. J., Macdonald, S. J. F., Roper, J. A., Jenkins, R. G., Hatley, R. J. D. Emerging therapeutic opportunities for integrin inhibitors. Nature Reviews Drug Discovery. 21 (1), 60-78 (2022).
  5. Frampton, J. E., Plosker, G. L. Efalizumab. American Journal of Clinical Dermatology. 10 (1), 51-72 (2009).
  6. Talamonti, M. et al. Efalizumab. Expert Opinion on Drug Safety. 10 (2), 239-251 (2011).
  7. Saribaş, A. S., Özdemir, A., Lam, C., Safak, M. JC virus-induced progressive multifocal leukoencephalopathy. Future Virology. 5 (3), 313-323 (2010).
  8. Chames, P., Van Regenmortel, M., Weiss, E., Baty, D. Therapeutic antibodies: successes, limitations and hopes for the future. British Journal of Pharmacology. 157 (2), 220-233 (2009).
  9. Mancuso, R. V., Casper, J., Schmidt, A. G., Krähenbühl, S., Weitz-Schmidt, G. Anti-αLβ2 antibodies reveal novel endocytotic cross-modulatory functionality. British Journal of Pharmacology. 177 (12), 2696-2711 (2020).
  10. Anderson, J. M., Li, J., Springer, T. A. Regulation of integrin α5β1 conformational states and intrinsic affinities by metal ions and the ADMIDAS. Molecular Biology of the Cell. 33 (6), ar56 (2022).
  11. Jensen, R. K. et al. Complement receptor 3 forms a compact high-affinity complex with iC3b. The Journal of Immunology. 206 (12), 3032-3042 (2021).
  12. Li, J., Yan, J., Springer, T. A. Low affinity integrin states have faster ligand binding kinetics than the high affinity state. Elife. 10, e73359 (2021).
  13. Luo, B. H., Carman, C. V., Springer, T. A. Structural basis of integrin regulation and signaling. Annual Review of Immunology. 25, 619-647 (2007).
  14. Fan, Z. et al. Neutrophil recruitment limited by high-affinity bent β2 integrin binding ligand in cis. Nature communications. 7 (1), 1-14 (2016).
  15. Fan, Z. et al. High-affinity bent β2-integrin molecules in arresting neutrophils face each other through binding to ICAMs in cis. Cell reports. 26 (1), 119-130 (2019).
  16. Gupta, V. et al. The β-tail domain (βTD) regulates physiologic ligand binding to integrin CD11b/CD18. Blood. 109 (8), 3513-3520 (2006).
  17. Sen, M., Yuki, K., Springer, T. A. An internal ligand-bound, metastable state of a leukocyte integrin, αXβ2. Journal of Cell Biology. 203 (4), 629-642 (2013).
  18. Sun, H., Hu, L., Fan, Z. β2 integrin activation and signal transduction in leukocyte recruitment. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 321 (2), C308-C316 (2021).
  19. Sun, H., Zhi, K., Hu, L., Fan, Z. The activation and regulation of β2 integrins in phagocytes. Frontiers in Immunology. 12, 978 (2021).
  20. Kamata, T. et al. The role of the CPNKEKEC sequence in the β2 subunit I domain in regulation of integrin αLβ2 (LFA-1). The Journal of Immunology. 168 (5), 2296-2301 (2002).
  21. Lu, C., Shimaoka, M., Zang, Q., Takagi, J., Springer, T. A. Locking in alternate conformations of the integrin αLβ2 I domain with disulfide bonds reveals functional relationships among integrin domains. Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (5), 2393-2398 (2001).
  22. Yang, W., Shimaoka, M., Chen, J., Springer, T. A. Activation of integrin β-subunit I-like domains by one-turn C-terminal α-helix deletions. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (8), 2333-2338 (2004).
  23. Dransfield, I., Hogg, N. Regulated expression of Mg2+ binding epitope on leukocyte integrin alpha subunits. The EMBO Journal. 8 (12), 3759-3765 (1989).
  24. Torres, M., Hall, F., O'neill, K. Stimulation of human neutrophils with formyl-methionyl-leucyl-phenylalanine induces tyrosine phosphorylation and activation of two distinct mitogen-activated protein-kinases. The Journal of Immunology. 150 (4), 1563-1577 (1993).
  25. Dorward, D. A. et al. The role of formylated peptides and formyl peptide receptor 1 in governing neutrophil function during acute inflammation. The American Journal of Pathology. 185 (5), 1172-1184 (2015).
  26. Lin, F. Y. et al. A general chemical principle for creating closure-stabilizing integrin inhibitors. Cell. 185 (19), 3533-3550 (2022).
  27. Lizcano, A. et al. Erythrocyte sialoglycoproteins engage Siglec-9 on neutrophils to suppress activation. Blood, The Journal of the American Society of Hematology. 129 (23), 3100-3110 (2017).
  28. Tadema, H., Abdulahad, W. H., Stegeman, C. A., Kallenberg, C. G., Heeringa, P. Increased expression of Toll-like receptors by monocytes and natural killer cells in ANCA-associated vasculitis. PloS One. 6 (9), e24315 (2011).
  29. Nagelkerke, S. Q., aan de Kerk, D. J., Jansen, M. H., van den Berg, T. K., Kuijpers, T. W. Failure to detect functional neutrophil B helper cells in the human spleen. PloS one. 9 (2), e88377 (2014).
  30. Blanco-Camarillo, C., Alemán, O. R., Rosales, C. Low-density neutrophils in healthy individuals display a mature primed phenotype. Frontiers in Immunology. 12, 672520 (2021).
  31. Zhang, J. H., Chung, T. D., Oldenburg, K. R. A simple statistical parameter for use in evaluation and validation of high throughput screening assays. Journal of biomolecular screening. 4 (2), 67-73 (1999).
  32. Shimaoka, M., Salas, A., Yang, W., Weitz-Schmidt, G., Springer, T.A. Small molecule integrin antagonists that bind to the β2 subunit I-like domain and activate signals in one direction and block them in the other. Immunity. 19 (3), 391-402 (2003).
  33. Liu, W. et al. Nexinhib20 Inhibits neutrophil adhesion and β2 integrin activation by antagonizing Rac-1-Guanosine 5′-Triphosphate interaction. The Journal of Immunology. 209 (8), 1574-1585 (2022).
  34. Robinson, M. et al. Antibody against the Leu-CAM beta-chain (CD18) promotes both LFA-1-and CR3-dependent adhesion events. The Journal of Immunology. 148 (4), 1080-1085 (1992).
  35. Lu, C., Ferzly, M., Takagi, J., Springer, T. A. Epitope mapping of antibodies to the C-terminal region of the integrin β2 subunit reveals regions that become exposed upon receptor activation. The Journal of Immunology. 166 (9), 5629-5637 (2001).
  36. Mauler, M. et al. Platelet serotonin aggravates myocardial ischemia/reperfusion injury via neutrophil degranulation. circulation. 139 (7), 918-931 (2019).
  37. Shen, X. F., Cao, K., Jiang, J., Guan, W. X., Du, J. F. Neutrophil dysregulation during sepsis: an overview and update. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 21 (9), 1687-1697 (2017).
  38. Chiang, C. C., Cheng, W. J., Korinek, M., Lin, C. Y., Hwang, T. L. Neutrophils in Psoriasis. Frontiers in Immunology. 10, 02376 (2019).
  39. Lood, C. et al. Neutrophil extracellular traps enriched in oxidized mitochondrial DNA are interferogenic and contribute to lupus-like disease. Nature medicine. 22 (2), 146-153 (2016).
  40. Bazzoni, G., Shih, D. T., Buck, C. A., Hemler, M. E. Monoclonal antibody 9EG7 defines a novel β1 integrin epitope induced by soluble ligand and manganese, but inhibited by calcium. Journal of Biological Chemistry. 270 (43), 25570-25577 (1995).
  41. Luque, A. et al. Activated conformations of very late activation integrins detected by a group of antibodies (HUTS) specific for a novel regulatory region(355-425) of the common β1 chain. Journal of Biological Chemistry. 271 (19), 11067-11075 (1996).
  42. Mould, A. P., Akiyama, S. K., Humphries, M. J. The inhibitory Anti-β1 integrin monoclonal antibody 13 recognizes an epitope that is attenuated by ligand occupancy: evidence for allosteric inhibition of integrin function. Journal of Biological Chemistry. 271 (34), 20365-20374 (1996).
  43. Spiess, M. et al. Active and inactive β1 integrins segregate into distinct nanoclusters in focal adhesions. Journal of Cell Biology. 217 (6), 1929-1940 (2018).
  44. Yang, S. et al. Relating conformation to function in integrin α5β1. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (27), E3872-E3881 (2016).
  45. Shattil, S. J., Hoxie, J. A., Cunningham, M., Brass, L. F. Changes in the platelet membrane glycoprotein IIb.IIIa complex during platelet activation. Journal of Biological Chemistry. 260 (20), 11107-11114 (1985).
  46. Shattil, S. J., Motulsky, H. J , Insel, P. A., Flaherty, L., Brass, L. F. Expression of fibrinogen receptors during activation and subsequent desensitization of human platelets by epinephrine. Blood. 68 (6), 1224-1231 (1986).
  47. Carreño, R. et al. 2E8 binds to the high affinity i-domain in a metal ion-dependent manner: a second generation monoclonal antibody selectively targeting activated LFA-1. Journal of Biological Chemistry. 285 (43), 32860-32868 (2010).
  48. Keizer, G. D., Visser, W., Vliem, M., Figdor, C. G. A monoclonal antibody (NKI-L16) directed against a unique epitope on the alpha-chain of human leukocyte function-associated antigen 1 induces homotypic cell-cell interactions. The Journal of Immunology. 140 (5), 1393-1400 (1988).
  49. Lefort, C. T. et al. Distinct roles for talin-1 and kindlin-3 in LFA-1 extension and affinity regulation. Blood. 119 (18), 4275-4282 (2012).
  50. van Kooyk, Y. et al. Activation of LFA-1 through a Ca2(+)-dependent epitope stimulates lymphocyte adhesion. Journal of Cell Biology. 112 (2), 345-354 (1991).
  51. Mould, A. P. et al. Conformational changes in the integrin a domain provide a mechanism for signal transduction via hybrid domain movement. Journal of Biological Chemistry. 278 (19), 17028-17035 (2003).
  52. Chigaev, A. et al. Real-time analysis of conformation-sensitive antibody binding provides new insights into integrin conformational regulation. Journal of Biological Chemistry. 284 (21), 14337-14346 (2009).
  53. Njus, B. H. et al. Conformational mAb as a tool for integrin ligand discovery. Assay and Drug Development Technologies. 7 (5), 507-515 (2009).
  54. Chigaev, A., Wu, Y., Williams, D. B., Smagley, Y., Sklar, L. A. Discovery of very late antigen-4 (VLA-4, α4β1 integrin) allosteric antagonists. Journal of Biological Chemistry. 286 (7), 5455-5463 (2011).
  55. Ghigo, A., De Santi, C., Hart, M., Mitash, N., Swiatecka-Urban, A. Cell signaling and regulation of CFTR expression in cystic fibrosis cells in the era of high efficiency modulator therapy. Journal of Cystic Fibrosis. 22, S12-S16 (2023).
  56. Van Goor, F., Yu, H., Burton, B., Hoffman, B.J. Effect of ivacaftor on CFTR forms with missense mutations associated with defects in protein processing or function. Journal of Cystic Fibrosis. 13 (1), 29-36 (2014).

Tags

Flow CytometryHigh-throughput ScreeningIntegrin InhibitorBeta-2 IntegrinNeutrophilAnti-inflammatoryConformational Change AntibodyFMLPGPCR

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Cao, Z., Garcia, M. J., Sklar, L. A., Wandinger-Ness, A., Fan, Z. A Flow Cytometry-Based High-Throughput Technique for Screening Integrin-Inhibitory Drugs. J. Vis. Exp. (204), e64401, doi:10.3791/64401 (2024).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image