Nanosensors כדי לאתר פרוטאז פעילות In Vivo אבחון לא פולשנית
Summary
פרוטאזות הם מוסדרים בחוזקה אנזימים המעורבים התהליכים הביולוגיים הבסיסיים, והתקדמות dysregulated פרוטאז פעילות כוננים של מחלות מורכבות כגון סרטן. בשיטה זו המטרה היא ליצור nanosensors המודדים פרוטאז פעילות ויוו על ידי ייצור לאות המחשוף שקיימים משתן מארח ומפלה המחלה.
Abstract
פרוטאזות הם אנזימים תפקודי מתמחים הידרוליזה של חלבון שליטה ובקרה רחבה תהליכים ביולוגיים כולל הומאוסטזיס ו- allostasis. יתר על כן, dysregulated פרוטאז פעילות כוננים פתוגנזה ומהווה סמן פונקציונלי של מחלות כמו סרטן; לכן, היכולת לזהות פרוטאז פעילות ויוו עשויים לספק מידע הרלוונטית קלינית למחקר ביו-רפואי. המטרה של פרוטוקול זה היא ליצור nanosensors זה מנצלים פרוטאז פעילות ויוו על ידי ייצור אות הניתנת לכימות בשתן. אלה nanosensors פרוטאז מורכב משני רכיבים: ננו-חלקיק בעלת המצע. הפונקציות nanoparticle כדי להגדיל את זרימת הדם half-life, המצע משלוח לאתרים המחלה היעד. המצע הוא רצף פפטיד קצר (6-8 AA), אשר נועד להיות ספציפי פרוטאז היעד או לקבוצה של פרוטאזות. המצע היא מצומדת השטח של ננו-חלקיק, על-ידי כתב, כגון סמן פלורסנט, לצורך זיהוי. כפי dysregulated פרוטאזות קליב המצע פפטיד, הכתב סוננו לתוך השתן על כימות כמו סמן של פעילות פרוטאז. במסמך זה אנו מתארים את בניית ננו-חיישן עבור מטריקס מטאלו-פרוטאינאז 9 (MMP9), אשר מזוהה עם התקדמות הגידול, גרורות, גילוי של סרטן המעי הגס במודל של עכברים.
Introduction
פרוטאזות הם אנזימים תפקודי מתמחים הידרוליזה של אג ח פפטיד, יש שליטה משמעותית על תהליכים ביולוגיים רבים, כולל הומאוסטזיס, allostasis של המחלה1. יש כבר בקורלציה מצב פעילות פרוטאז למגוון רחב של מחלות, כולל סרטן ומחלות לב וכלי דם, שהופך מועמדים אטרקטיביים פרוטאזות פיתוח לתוך סמנים קליניים2,3. יתר על כן, פעילות פרוטאז היא פונקציונלית מקושר ברורים pathogeneses, תוצאות המטופל ואת הפרוגנוזה של המחלה4. באופן כללי, ביולוגיים פותחו כדי לזהות תופעות ביולוגיות שונות ומעבד מחלות, כגון סרטן, מחלות ניווניות, העברת-אלקטרונים5,–6,–7,–8 , 9. ליתר דיוק, חיישנים פרוטאז המבוסס על המצע יש פותחה כדי לזהות פעילות פרוטאז, כולל fluorogenic זונדי אבחון הדמיה10 , isotopically עם התווית פפטיד מצעים עבור חוץ גופית בתוך הזיהוי באמצעות ספקטרומטר מסה11. בנוסף, המבוסס על פעילות הגששים פותחו, אשר מכילים אזורים כמו המצע לקשור או לשנות את היעד פרוטאז12. בשיטה זו, היעד פרוטאז מעוכבת בלתי הפיך כאשר האתר הפעיל הוא שונה, שדורש ניתוח קצירת רקמות, אשר מגביל את היישומים ויוו . עם זאת, חשוב לחוש פרוטאז פעילות ויוו, כי ויסות פעילות פרוטאז תלויה במידה רבה בהקשר של פעילויות ביולוגיות אחרות כגון הנוכחות של מעכבי אנדוגני.
מטרת עבודה זו היא לתאר את ניסוח של nanosensors מבוססי פעילות המאתרות פרוטאז פעילות ויוו על ידי ייצור אות מדיד בשתן. פלטפורמה זו משמשת בדיקה לא פולשנית להפלות מורכבים מחלות כמו סרטן באמצעות פעילות פרוטאז dysregulated כמו סמן פונקציונלי. הפלטפורמה ננו-חיישן שלנו מורכב חלקיקי תחמוצת ברזל (IONP) מצומדת כדי פרוטאז סובסטרטים. מצעים אלה מנוטרלים על ידי עיתונאי פלורסנט אשר שוחרר כאשר פרוטאזות קליב המצע IONPs אלה הפיצו ויוו, בתרגום אתרי המחלה ולחשוף סובסטרטים כדי פרוטאזות הקשורים במחלה פעילה. לאחר מחשוף, כתבים פלורסנט משתחררים, בשל גודלם הקטן, מסוננים לתוך השתן, בעוד סובסטרטים uncleaved על IONP להישאר בגוף. לכן, תגרום לעלייה פרוטאז פעילויות ויוו ריכוז גבוה של הכתב בשתן (איור 1). מאז הפלטפורמה שלנו היא בדיקת שתן, אין פלטפורמה הדמיה נדרש, אותות אבחון מועשרים בשתן.
פלטפורמה זו ניתן לתכנן לאיתור מגוון רחב של מחלות כולל סרטן, פיברוזיס של פקקת13,14 כאן נתאר את העיצוב של nanosensors לזהות הגבהים metallopeptidase מטריקס 9 (MMP9) פעילות כמו סמן של סרטן המעי הגס. סרטן המעי הגס הוא הסיבה המובילה השניה מקרי המוות מסרטן בארצות הברית, עם מקרים חדשים 136,800 משוער ותמותה 50,300 בשנת 2014 לבד15. גידול המעי הגס מפרישים MMP9, אשר הוכח לנהוג התקדמות ממאיר, מטריקס השפלה, כמו גם גרורות16. בנוסף, זיהינו מצע מתאים פפטיד (PLGVRGK) עבור MMP9 מן הספרות ה-17. פלטפורמה זו עשויה לשמש עבור גילוי מוקדם של סרטן, בעלות נמוכה בשלב של טיפול אבחון13,14,18,19,20,21.
איור 1: סכימטי של ננו-חיישן פעילות vivo ב. Nanosensors לזרום דרך הגוף, בתרגום אתרים של המחלה. לאחר מכן, פרוטאזות הקשורים למחלות קליב סובסטרטים פפטיד שהוצגו על-ידי IONPs. הגודל של שברי cleaved מאפשר סיווג הכליה, גורם להם להתאים לשפה בשתן. אחרי החיה משתין, ניתן לנתח קטעים פפטיד אלה על ידי מולקולה הכתב שלהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטה זו מתארת את התפתחות nanosensors מבוססי פעילות בהיקף של סובסטרטים פרוטאז מצומדת אל ליבה של ננו-חלקיק. האירוע של פצילות הפרוטאוליטי שכונתה “הבורר פרמוקוקינטיים”, כי פפטיד cleaved מוצרים קטנים יותר ממגבלת גודל הכליות סינון של 5 nm23 ו מסנן לתוך השתן כדי לייצר אות לא פולשנית. לכן, חשוב לה…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומן על ידי פרס חדשן חדשה (פרס מס ‘ של מנהל NIH DP2HD091793). Q.D.M. נתמך על ידי ה-NSF מחקר מלגות לתוכנית לבוגרים (מענק מס ‘ DGE-1650044). B.A.H נתמך על ידי נבחרת מוסדות של בריאות GT BioMAT אימונים המענק תחת מספר פרס 5T32EB006343, כמו גם מלגת הנשיא ג’ורג’יה טק. G.A.K. מחזיק פרס הקריירה ב הממשק מדעי מהקרן ברוכים הבאים בורוז. התוכן הוא אך ורק באחריות המחברים, ואינם מייצגים בהכרח את הנופים הרשמי של מכוני הבריאות הלאומיים.
Materials
| 0.2 µm syringe filters | VWR | 4652 | |
| 18G needle | VWR | 89134-024 | |
| 15 mL conicals | VWR | 89039-670 | |
| 250 mL Erlenmeyer flask | VWR | 89000-362 | |
| Stir bar | VWR | 58949-006 | |
| Hot Plate/Magnetic Stirrer | VWR | 97042-634 | |
| Glacial acetic acid | VWR | 97064-482 | |
| Albumin from Bovine Serum (BSA) | Thermo Fisher | A13100 | |
| Iron (III) chloride hexahydrate | Sigma | 236489 | |
| Iron (II) chloride tetrahydrate | Sigma | 44939 | |
| Epichlorohydrin | Sigma | 45340-500ML-F | |
| DMF | Sigma | D4551 | |
| Ammonium Hydroxide | Sigma | 320145-500ML | |
| Sodium Hydroxide pellets | Sigma | 221465-500G | |
| EDTA | Sigma | E9884 | |
| Sodium Borate | Sigma | B9876 | |
| L-Cysteine | Sigma | 168149-100G | |
| Tris-HCl | Sigma | T5941 | |
| Tris base | Sigma | T6066 | |
| PBS tablets | Sigma | P4417 | |
| Dextran | Pharmacosmos | 5510 0020 9006 | |
| Amicon 15 mL 10k filters, 24 pk | Millipore | UFC901024 | |
| Amicon 15 mL 30k filters, 24 pk | Millipore | UFC903024 | |
| Amicon 15 mL 100k filters, 24 pk | Millipore | UFC910024 | |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern Panalytical | NanoZS | |
| Slide-A-Lyzer Dialysis Cassette | LifeTech | 66130 | |
| Dynabeads MyOne Tosylactivated | LifeTech | 65501 | |
| SIA | Life Tech | 22349 | |
| PEG 20k | Laysan Bio | MPEG-SH-20K-1g | |
| Fluorescein Antibody [2A3] | GeneTex | GTX10257 | |
| Hiload 16/600 superdex 200 | GE Healthcare | 45-002-490 | |
| Plate Reader | Fisher | BTCYT5M | |
| BD Insulin Syringes | Fisher | NC0872854 |
Riferimenti
- Lopez-Otin, C., Bond, J. S. Proteases: Multifunctional enzymes in life and disease. Journal of Biological Chemistry. 283 (45), 30433-30437 (2008).
- Hua, Y., Nair, S. Proteases in cardiometabolic diseases: Pathophysiology, molecular mechanisms and clinical applications. Biochimica et Biophysica Acta. 1852 (2), 195-208 (2015).
- Koblinski, J. E., Ahram, M., Sloane, B. F. Unraveling the role of proteases in cancer. Clinica Chimica Acta. 291 (2), 113-135 (2000).
- Lilja, H., Vickers, A., Scardino, P. Measurements of proteases or protease system components in blood to enhance prediction of disease risk or outcome in possible cancer. Journal of Clinical Oncology. 25 (4), 347-348 (2007).
- Jin, H., et al. Flexible surface acoustic wave resonators built on disposable plastic film for electronics and lab-on-a-chip applications. Scientific Reports. 3, 2140 (2013).
- Ma, W., Liu, H. -. T., Long, Y. -. T. Monitoring dopamine quinone-induced dopaminergic neurotoxicity using dopamine functionalized quantum dots. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (26), 14352-14358 (2015).
- Zhang, W. -. H., Ma, W., Long, Y. -. T. Redox-mediated indirect fluorescence immunoassay for the detection of disease biomarkers using dopamine-functionalized quantum dots. Analytical Chemistry. 88 (10), 5131-5136 (2016).
- Ma, W., et al. Investigating electron-transfer processes using a biomimetic hybrid bilayer membrane system. Nature Protocols. 8 (3), 439-450 (2013).
- Holt, B. A., et al. Fc microparticles can modulate the physical extent and magnitude of complement activity. Biomaterials science . 5, 463-474 (2017).
- Edgington, L. E., Verdoes, M., Bogyo, M. Functional imaging of proteases: Recent advances in the design and application of substrate-based and activity-based probes. Current Opinion in Chemical Biology. 15 (6), 798-805 (2011).
- Kleifeld, O., et al. Identifying and quantifying proteolytic events and the natural N terminome by terminal amine isotopic labeling of substrates. Nature Protocols. 6 (10), 1578-1611 (2011).
- Sanman, L. E., Bogyo, M. Activity-based profiling of proteases. Annual Review of Biochemistry. 83 (1), 249-273 (2014).
- Kwong, G. A., et al. Mass-encoded synthetic biomarkers for multiplexed urinary monitoring of disease. Nature Biotechnology. 31 (1), 63-70 (2013).
- Dudani, J. S., Buss, C. G., Akana, R. T. K., Kwong, G. A., Bhatia, S. N. Sustained-release synthetic biomarkers for monitoring thrombosis and inflammation using point-of-care compatible readouts. Advanced Functional Materials. 26 (17), 2919-2928 (2016).
- Meester, R. G. S., et al. Public health impact of achieving 80% colorectal cancer screening rates in the United States by 2018. Cancer. 121 (13), 2281-2285 (2015).
- Mehner, C., et al. Tumor cell-produced matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) drives malignant progression and metastasis of basal-like triple negative breast cancer. Oncotarget. 5 (9), 2736-2749 (2014).
- Bremer, C., Tung, C. H., Weissleder, R. In vivo molecular target assessment of matrix metalloproteinase inhibition. Nature Medicine. 7 (6), 743-748 (2001).
- Warren, A. D., et al. Disease detection by ultrasensitive quantification of microdosed synthetic urinary biomarkers. Journal of the American Chemical Society. 136 (39), 13709-13714 (2014).
- Warren, A. D., Kwong, G. A., Wood, D. K., Lin, K. Y., Bhatia, S. N. Point-of-care diagnostics for noncommunicable diseases using synthetic urinary biomarkers and paper microfluidics. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (10), 3671-3676 (2014).
- Kwong, G. A., et al. Mathematical framework for activity-based cancer biomarkers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (41), 12627-12632 (2015).
- Dudani, J. S., Jain, P. K., Kwong, G. A., Stevens, K. R., Bhatia, S. N. Photoactivated spatiotemporally-responsive nanosensors of in vivo protease activity. ACS Nano. 9 (12), 11708-11717 (2015).
- Palmacci, S., Josephson, L. Synthesis of polysaccharide covered superparamagnetic oxide colloids. US patent. , (1991).
- Choi, H. S., et al. Renal clearance of nanoparticles. Nature Biotechnology. 25 (10), 1165-1170 (2007).
- Harris, T. J., von Maltzahn, G., Derfus, A. M., Ruoslahti, E., Bhatia, S. N. Proteolytic actuation of nanoparticle self-assembly. Angewandte Chemie (International edition in English). 45 (19), 3161-3165 (2006).
- Kwon, E. J., Dudani, J. S., Bhatia, S. N. Ultrasensitive tumour-penetrating nanosensors of protease activity. Nature Biomedical Engineering. 1, (2017).
- Villanueva, J., Nazarian, A., Lawlor, K., Tempst, P. Monitoring Peptidase activities in complex proteomes by MALDI-TOF mass spectrometry. Nature Protocols. 4 (8), 1167-1183 (2009).
- Villanueva, J., et al. Differential exoprotease activities confer tumor-specific serum peptidome patterns. The Journal of Clinical Investigation. 116 (1), 271-284 (2006).
