El aislamiento y la cuantificación de la neurotoxina botulínica A partir de matrices complejas utilizando el BoTest Matrix Ensayos

Summary

La neurotoxina botulínica Matriz BoTest (BoNT) ensayos de detección de purificar y cuantificar rápidamente BoNT a partir de una variedad de matrices de muestras. Aquí, se presenta un protocolo para la detección y cuantificación de BoNT a partir de matrices tanto sólidos como líquidos y demostrar el ensayo con BOTOX ®, los tomates y la leche.

Abstract

Se requiere la detección y cuantificación de la neurotoxina botulínica (NTBo) en matrices complejas precisa para la industria farmacéutica, medioambiental, y las pruebas de muestra de alimento. Se necesita prueba rápida BoNT de los productos alimenticios durante el forense del brote, el diagnóstico del paciente, y las pruebas de seguridad de los alimentos mientras que se requiere la prueba de potencia precisa para la fabricación de productos de fármacos basado en la NTBo y la seguridad del paciente. El bioensayo en ratón ampliamente utilizado para la prueba de BoNT es altamente sensible, pero carece de la precisión y el rendimiento necesario para la prueba rápida y rutinaria de BoNT. Además, el uso del bioensayo de los animales ha dado lugar a los llamados de las autoridades reguladoras de medicamentos y productos proponentes derechos de los animales en los EE.UU. y en el extranjero para sustituir el bioensayo en ratones para probar la NTBo. Varios ensayos in vitro de recambio en se han desarrollado que funciona bien con purificada de BoNT en tampones simples, pero la mayoría no han demostrado ser aplicable a prueba en matrices muy complejas. Aquí, un protocolo para la detección deNTBo en matrices complejas utilizando la matriz de ensayos BoTest se presenta. El ensayo consta de tres partes: La primera parte implica la preparación de las muestras para las pruebas, la segunda parte es un paso inmunoprecipitación usando anti-BoNT recubiertas de anticuerpos perlas paramagnéticas para purificar la NTBo de la matriz, y la tercera parte cuantifica proteolítica de la BoNT aislado actividad utilizando un reportero fluorogenic. El protocolo está escrito para las pruebas de alto rendimiento en placas de 96 pocillos utilizando matrices de ambos líquidos y sólidos y requiere alrededor de 2 h de preparación manual con tiempos de ensayo total de 4-26 horas dependiendo del tipo de muestra, la carga de la toxina, y la sensibilidad deseada. Los datos se presentan para las pruebas de BoNT / A con solución salina tamponada con fosfato, un producto farmacéutico, el sobrenadante del cultivo, 2% de leche, y tomates frescos e incluye la discusión de los parámetros críticos para el éxito del ensayo.

Introduction

Neurotoxinas botulínicas (BoNT) son las sustancias más letales conocidos, con dosis letales intravenosas humanos estiman en 3.1 ng / kg ^1,2. Siete serotipos de BoNT estructuralmente similares, etiquetadas A a la G, de existir, consistiendo cada uno en un dominio de cadena pesada responsable de la unión celular, la absorción, y la translocación en el citosol y una cadena ligera que codifica una endopeptidasa de zinc ^3-5. La exquisita toxicidad de BoNT resulta de, en parte, de su entrada obligatoria y específica en las neuronas motoras en la unión neuromuscular ^6. Una vez dentro de la neurona, la endopeptidasa de la cadena ligera escinde específicamente uno o más de la N-etilmaleimida-sensible receptor soluble de proteína de fijación del factor (SNARE) proteínas necesarias para la fusión de vesículas, la inhibición de la liberación de neurotransmisores y que conduce a parálisis flácida ^7-14. Comúnmente conocida como la enfermedad "botulismo" parálisis del diafragma y los músculos intercostales por BoNT en última instancia se traduce ense reciben insuficiencia respiratoria y la muerte a menos que el diagnóstico y tratamiento tempranos.

Botulismo alimentario humano es más comúnmente asociado con BoNT serotipos A, B, E y F (BoNT / D, BoNT / B, etc) y por lo general resulta de la ingestión de alimentos contaminados ^15,16, aunque, varios casos de botulismo por heridas fueron reportados entre los usuarios de drogas por vía intravenosa ^17,18. En los Estados Unidos, el botulismo infantil como resultado de la ingestión de esporas de Clostridium por los niños menores de uno es la forma más común de botulismo ^19-21. Sin embargo, se reportaron brotes de origen alimentario BoNT resultantes de conservas caseras impropio y el procesamiento de alimentos, tanto en Estados Unidos como en el extranjero. Entre 2000-2009, se reportaron al menos 338 casos de botulismo transmitido por alimentos en todo el mundo incluyendo a seis víctimas mortales ^22. La capacidad de detectar rápidamente y con sensibilidad brotes de botulismo de origen alimentario es un indicador crítico que podría ayudar al diagnóstico precoz ^23,24. Por otra parte, los métodos de detección que permiten rentable y las pruebas de rutina de alimentos dará lugar a una mejora de la seguridad alimentaria.

Especificidad neuronal de BoNT y larga vida media biológica también lo convierte en un potente terapéutico. En los Estados Unidos, los medicamentos basados ​​en la NTBo están aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos para el tratamiento de afecciones cosméticas y trastornos relacionados neuromusculares incluidas las líneas del entrecejo, distonía cervical, dolores de cabeza por migraña, la vejiga hiperactiva, y estrabismo. Numerosas aplicaciones "off-label" están documentados, incluyendo los tratamientos de dosis alta para la disfunción muscular severa ^25-28. Cuantificación de toxinas precisa es fundamental para la dosificación correcta, ya que una dosis insuficiente puede dar lugar a un tratamiento ineficaz, mientras que una sobredosis pone a los pacientes en riesgo de efectos secundarios potencialmente dañinos. Desafortunadamente, no existe un protocolo ensayo de potencia normalizada se comparte entre los fabricantes, lo que resulta en desigualdades de definición de unidad entre productores de medicamentos a base de BoNT^29-31 cts.

La prueba estándar para la NTBo es el bioensayo en ratones en los que las muestras que contienen NTBo se inyectan por vía intraperitoneal en ratones, y el número de muertes registradas más de 1-7 días ^16,32,33. El bioensayo en ratones es muy sensible a los límites de detección (LOD) de 5-10 pg de BoNT / A ^34, sin embargo, las preocupaciones éticas sobre el uso de animales, el alto costo de la capacitación del personal y el mantenimiento de instalaciones de los animales, los tiempos de ensayo de largo, y la falta de protocolos estandarizados resultaron en llamadas a desarrollar, las pruebas estandarizadas BoNT libre de productos animales y métodos de cuantificación ^35-39. Recientemente, varios métodos alternativos de cuantificación BoNT fueron desarrollados que ofrecen ratón o casi ratón sensibilidad bioensayo ^40-49. Estos métodos suelen utilizar la fluorescencia, la espectrometría de masa, o métodos inmunológicos y ofrecen tiempos de ensayo considerablemente más corto que el bioensayo en ratones sin el uso de animales. Mass-espectrometría de enfoques combinados con techniq inmunológicaues, se mostró a detectar y cuantificar BoNT contenida en los alimentos y otras muestras complejas, sin embargo, los requisitos de capacitación de personal y equipo especializado límite de estos ensayos de ^50-55. La mayoría de los otros ensayos alternativos no son fácilmente aplicables a la prueba de la muestra compleja o carecen del rendimiento necesarios para las pruebas de rutina BoNT. La naturaleza altamente variable de la viscosidad de la muestra de alimentos, pH, contenido de sal, y constituyentes de la matriz presenta un desafío especialmente difícil cuando se trata de desarrollar métodos de ensayo in vitro con sensibilidad para que coincida con la potencia extrema de la NTBo. Por otra parte, incluso los sistemas de amortiguación simples y relativamente benignas, como las que resultan de la resuspensión de los productos farmacéuticos a base de BoNT, contienen sal, albúmina, azúcar y estabilizantes (por ejemplo, excipientes) que impactan significativamente in vitro BoNT potencia ^56. Se requiere la purificación de toxinas de las pruebas de actividad precisa de todos pero la más sencilla de las muestras ^56-59.

LaBoTest ensayos de Matrix fue diseñada para una rápida y de alto rendimiento, y la cuantificación consistente de BoNT a partir de muestras de alta complejidad utilizando equipos que se encuentran comúnmente en los laboratorios de investigación ^56,60. Estos ensayos utilizan perlas paramagnéticas unidas covalentemente a los anticuerpos anti-BoNT específicos de serotipo de atar y secuestrar BoNT de una muestra y luego eliminar la interferencia de compuestos de matriz mediante lavado. Después del lavado, atado actividad proteolítica BoNT se cuantifica entonces en un tampón de reacción optimizado utilizando un reportero compatible con el serotipo BoNT está probando. Estos reporteros son proteínas fluorogénicos que consisten en una proteína fluorescente cian N-terminal (PPC) y un resto derivado de la proteína fluorescente amarilla C-terminal de resto (Venus) unidos por un sustrato de BoNT, residuos de SNAP25 141 a 206 o los residuos de sinaptobrevina 33-94 que constituye la BoTest A / E o B / D / reporteros F / G, respectivamente ^45. Reportero escisión por BoNT se vigila por medio de Förster de transferencia de energía de resonancia (FRET). Cuando tque el reportero está intacta, la excitación de CFP se traduce en FRET a Venus, apagando emisión PPC y emocionante emisión Venus. La escisión del reportero por BoNT impide FRET, lo que lleva a un aumento en la emisión de PPC y disminución en la emisión de Venus. La actividad de BoNT se puede medir cuantitativamente utilizando la relación de las emisiones de la PPC y Venus. LOD por debajo de 3 pg son posibles a partir de una amplia gama de alimentos utilizando un formato de placa de 96 pocillos de alto rendimiento ^56. Aumento de la sensibilidad se puede conseguir utilizando volúmenes de muestra más grandes ya que el ensayo permite la concentración de la toxina en la superficie de la perla.

Los ensayos de Matrix BoTest para BoNTs A, B, E y F se desarrollaron y probaron con alimentos, productos farmacéuticos, y las muestras ambientales ^56,60. Aquí se describe los procedimientos para la ejecución de estos ensayos para la detección de la NTBo en baja complejidad (por ejemplo, productos farmacéuticos, la NTBo en la memoria intermedia) y alta complejidad (por ejemplo, alimentos, medio ambiente) muestras. Métodos de procesamiento específicospara se abordan varios tipos de muestras en este protocolo y tipos de muestras que no se describen aquí por lo general se pueden adaptar usando una combinación de los métodos presentados. El protocolo fue desarrollado y probado con BoNT / A, pero se puede adaptar a otros serotipos de NTBo utilizando sus respectivos ensayos como se ha demostrado en otras partes ^56,60.

Protocol

1. Preparación de Reactivos de ensayo Ditiotreitol 200x Deshielo (TDT), 10x Matrix tampón de unión (10 veces de aquí en adelante tampón de unión), 10x tampón de neutralización (alimentos o muestras de pH desequilibrados solamente), y 10 veces más BoTest tampón de reacción (10x Reacción adelante buffer) a temperatura ambiente (TA) durante 15 minutos o hasta que esté completamente descongelado. Véase la Tabla 1 para obtener una lista de los tampones y reactivos utilizados en este …

Representative Results

Un diagrama que resume los pasos en el protocolo descrito se muestra en la Figura 2. El ensayo requiere entre 4-26 horas en completarse, dependiendo del tipo de muestra y la sensibilidad del ensayo deseado, pero sólo ~ 2 horas de tiempo de práctica. El ensayo se realiza en placas de 96 pocillos y, dependiendo del tipo de prueba que se lleva a cabo, permite realizar pruebas por triplicado de hasta 20 muestras incluidas las normas por placa. La Figura 3 mues…

Discussion

Este protocolo describe los procedimientos para la cuantificación de BoNT / A complejo holotoxina o Clostridium sobrenadante de cultivo en matrices complejas. El protocolo es el mismo, sin embargo, al probar otra serotipos de BoNT (por ejemplo BoNT / B, E y F) con sus respectivos ensayos Matrix ^56,60, aunque la sensibilidad del ensayo variará según los serotipos y ensayos. Este protocolo no tiene en cuenta para cada tipo de muestra posible y algunas modificaciones puede ser necesaria depe…

Materials

BoTest Matrix A Botulinum Neurotoxin Detection Kit	BioSentinel	A1015	Detection kits for BoNT/B and F are also available.
Varioskan Flash fluorescence microplate reader	Thermo-Fisher Scientific	5250040	Most monochromator- or filter-based units with 434 nm excitation and 470 and 526 nm emission capability can be used.
96-well Magnetic Bead Separation Plate	V&P Scientific	VP771H	Other magnetic plates may be used, but the plate should be designed to separate the beads to the side of the well.
Magnetic Bead-Compatible Plate Washer	BioTek	ELx405 VSRM	Optional, only required for automated plate washing.  Other magnetic bead-compatible plate washers may also be used, but should be tested before use.
Microcentrifuge	Various	N/A	Optional, only required for samples needing centrifugation.
MixMate plate mixer	Eppendorf	22674200
Orbital Shaker	Various	N/A	Used at room temperature or at 25 °C If temperature control is available
EDTA-free Protease Inhibitor Tablets	Roche	4693132001	Only required for food or environmental testing.  Protease inhibitors must be EDTA-free.
BoNT/A	Metabiologics	N/A	Optional, only required for standardization and quantification purposes
Black, Flat-bottomed 96-well Plates	NUNC	237105	Plates should not be treated
96-well Plate Sealing Tape	Thermo Scientific	15036