Una piattaforma di vaccino a nanoparticelle "plug-and-display" basata su vescicole di membrana esterne che mostrano il dominio di legame del recettore SARS-CoV-2
Summary
Il presente protocollo descrive la bioingegneria delle vescicole della membrana esterna come una piattaforma vaccinale “Plug-and-Display”, compresa la produzione, la purificazione, la bioconiugazione e la caratterizzazione.
Abstract
Le nanoparticelle biomimetiche ottenute da batteri o virus hanno suscitato un notevole interesse nella ricerca e nello sviluppo di vaccini. Le vescicole della membrana esterna (OMV) sono secrete principalmente da batteri gram-negativi durante la crescita media, con un diametro di dimensioni nanometriche e un’attività autoadiuvante, che può essere ideale per la somministrazione del vaccino. Gli OMV hanno funzionato come un sistema di consegna multiforme per proteine, acidi nucleici e piccole molecole. Per sfruttare appieno le caratteristiche biologiche degli OMV, gli OMV bioingegnerizzati derivati da Escherichia coli sono stati utilizzati come carrier e il dominio legante il recettore SARS-CoV-2 (RBD) come antigene per costruire una piattaforma vaccinale “Plug-and-Display”. I domini SpyCatcher (SC) e SpyTag (ST) in Streptococcus pyogenes sono stati applicati per coniugare OMV e RBD. Il gene della citolisina A (ClyA) è stato tradotto con il gene SC come proteina di fusione dopo trasfezione plasmidica, lasciando un sito reattivo sulla superficie delle OMV. Dopo aver miscelato RBD-ST in un sistema tampone convenzionale durante la notte, è stato formato un legame covalente tra OMV e RBD. Pertanto, è stato raggiunto un vaccino OMV polivalente. Sostituendo con antigeni diversi, la piattaforma vaccinale OMV può visualizzare in modo efficiente una varietà di antigeni eterogenei, prevenendo così potenzialmente rapidamente le epidemie di malattie infettive. Questo protocollo descrive un metodo preciso per costruire la piattaforma vaccinale OMV, compresa la produzione, la purificazione, la bioconiugazione e la caratterizzazione.
Introduction
Come potenziale piattaforma vaccinale, le vescicole della membrana esterna (OMV) hanno attirato sempre più attenzione negli ultimi anni 1,2. Gli OMV, principalmente secreti naturalmente dai batteri gram-negativi3, sono particelle sferiche su scala nanometrica composte da un doppio strato lipidico, di solito delle dimensioni di 20-300 nm4. Gli OMV contengono vari componenti batterici parentali, compresi gli antigeni batterici e i pattern molecolari associati ai patogeni (PAMP), che fungono da potenziatori immunitari solidi5. Beneficiando dei loro componenti unici, della struttura naturale delle vescicole e dei grandi siti di modifica dell’ingegneria genetica, gli OMV sono stati sviluppati per l’uso in molti campi biomedici, tra cui vaccini batterici6, adiuvanti7, farmaci immunoterapici contro il cancro8, vettori di somministrazione di farmaci9 e adesivi antibatterici10.
La pandemia di SARS-CoV-2, che si è diffusa in tutto il mondo dal 2020, ha avuto un pesante tributo sulla società globale. Il dominio legante il recettore (RBD) nella proteina spike (proteina S) può legarsi con l’enzima umano di conversione dell’angiotensina 2 (ACE2), che quindi media l’ingresso del virus nella cellula11,12,13. Pertanto, RBD sembra essere un obiettivo primario per la scoperta del vaccino14,15,16. Tuttavia, la RBD monomerica è scarsamente immunogenica e il suo piccolo peso molecolare rende difficile il riconoscimento per il sistema immunitario, quindi sono spesso necessari adiuvanti17.
Al fine di aumentare l’immunogenicità dei RBD, sono stati costruiti OMV che mostrano RBD polivalenti. Gli studi esistenti che utilizzano OMV per visualizzare RBD di solito fondono RBD con OMV per essere espresso nei batteri18. Tuttavia, RBD è una proteina derivata dal virus e l’espressione procariotica può influenzare la sua attività. Per risolvere questo problema, il sistema SpyTag (ST)/SpyCatcher (SC), derivato da Streptococcus pyogenes, è stato utilizzato per formare un isopeptide covalente con OMV e RBD in un sistema tampone convenzionale19. Il dominio SC è stato espresso con la citolisina A (ClyA) come proteina di fusione mediante Escherichia coli bioingegnerizzato e ST è stato espresso con RBD tramite il sistema di espressione cellulare HEK293F. OMV-SC e RBD-ST sono stati miscelati e incubati durante la notte. Dopo la purificazione mediante ultracentrifugazione o cromatografia ad esclusione dimensionale (SEC), OMV-RBD è stato ottenuto.
Protocol
Representative Results
Discussion
Per creare una piattaforma di vaccino a nanoparticelle “Plug-and-Display”, ClyA fuso SC è stato espresso in ceppi BL21 (DE3), che è uno dei modelli più utilizzati per la produzione di proteine ricombinanti a causa dei suoi vantaggi nell’espressione proteica24, in modo che ci sarebbe abbastanza frammento SC visualizzato sulla superficie degli OMV durante il processo di proliferazione batterica. Allo stesso tempo, è stato preparato un antigene bersaglio fuso ST per l’accoppiamento chimico tra gl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal Key Program of Chongqing Natural Science Foundation (No. cstc2020jcyj-zdxmX0027) e il progetto della Chinese National Natural Science Foundation (n. 31670936, 82041045).
Materials
| Ampicillin sodium | Sangon Biotech | A610028 | |
| Automated cell counter | Countstar | BioTech | |
| BCA protein quantification Kit | cwbio | cw0014s | |
| ChemiDoc Touching Imaging System | Bio-rad | ||
| Danamic Light Scattering | Malvern | Zetasizer Nano S90 | |
| Electrophoresis apparatus | Cavoy | Power BV | |
| EZ-Buffers H 10X TBST Buffer | Sangon Biotech | C520009 | |
| Goat pAb to mouse IgG1 | Abcam | ab97240 | |
| High speed freezing centrifuge | Bioridge | H2500R | |
| His-Tag mouse mAb | Cell signaling technology | 2366s | |
| Imidazole | Sangon Biotech | A600277 | |
| Isopropyl beta-D-thiogalactopyranoside | Sangon Biotech | A600118 | |
| Ni-NTA His-Bind Superflow | Qiagen | 70691 | |
| Non-fat powdered milk | Sangon Biotech | A600669 | |
| OPM-293 cell culture medium | Opm biosciences | 81075-001 | |
| pcDNA3.1 RBD-ST plasmid | Wuhan genecreat biological techenology | ||
| Phosphate buffer saline | ZSGB-bio | ZLI-9061 | |
| Polyethylenimine Linear | Polysciences | 23966-1 | |
| Prestained protein ladder | Thermo | 26616 | |
| pThioHisA ClyA-SC plasmid | Wuhan genecreat biological techenology | ||
| PVDF Western Blotting Membranes | Roche | 03010040001 | |
| Quixstand benchtop systems (100 kD hollow fiber column) | GE healthcare | ||
| SDS-PAGE loading buffer (5x) | Beyotime | P0015 | |
| Sodium chloride | Sangon Biotech | A100241 | |
| Supersignal west pico PLUS (enhanced chemiluminescence solution) | Thermo | 34577 | |
| Suspension instrument | Life Technology | Hula Mixer | |
| Transmission Electron Microscope | Hitachi | HT7800 | |
| Tryptone | Oxoid | LP0042B | |
| Ultracentrifuge | Beckman coulter | XPN-100 | |
| Ultraviolet spectrophotometer | Hitachi | U-3900 | |
| Yeast extract | Sangon Biotech | A610961 |
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