En aptamer-baserede sensor til ucheleret Gadolinium (III)

Introduction

Den stigende betydning af magnetisk resonans imaging (MRI) i klinisk diagnose, som er begrænset af den iboende følsomhed af teknikken, har resulteret i den hurtige vækst i forskning i udvikling af nye gadolinium-baserede kontrastmidler (GBCAs) ^1. GBCAs er molekyler, der administreres for at forbedre billedkvaliteten, og de har typisk den kemiske struktur af et trivalent gadolinium ion (Gd ³⁺⁾ koordineret til en polydentatligand. Denne kompleksdannelse er af afgørende betydning, da ucheleret Gd ³⁺ er giftigt; det er blevet impliceret i udviklingen af nefrogen systemisk fibrose hos nogle patienter med nyresygdom eller svigt ^2. Derfor, afsløre den vandige fri ion er medvirkende til at sikre sikkerheden for GBCAs. Tilstedeværelsen af ucheleret Gd3 ⁺ i gbca løsninger ofte er resultatet af en ufuldstændig reaktion mellem liganden og ionen, dissociation af komplekset, eller forskydning senst af andre biologiske metalkationer ^3.

Blandt de flere teknikker i øjeblikket anvendes til bestemmelse af tilstedeværelsen af Gd ^3+, der bygger på kromatografi og / eller spektrometri rang højest målt i alsidighed og anvendelighed ^4. Blandt deres styrke er høj følsomhed og nøjagtighed, evnen til at analysere forskellige prøvematricer (herunder humant serum ^5, urin og hår ^6, spildevand ^7, og agent formuleringer kontrast ^8), og den samtidige kvantificering af multiple Gd3 ⁺ komplekser (en notering undersøgelser før 2013 er beskrevet i en omfattende gennemgang af Telgmann et al.) ^4. Den eneste ulempe er, at adskillige af disse metoder kræver instrumentationer (såsom induktivt koblet plasma-massespektrometri) ^4, at nogle laboratorier måske ikke har adgang til. Inden for rammerne af romanen gbca opdagelse på forsknings- og proof-of-concept-niveauer, arelatively mere bekvem, hurtig og omkostningseffektiv spektroskopiske-baserede metode (såsom UV-Vis absorption eller fluorescens) kan tjene som et værdifuldt alternativ. Med disse programmer i tankerne, blev en fluorescerende aptamer-baserede sensor til vandig Gd ³⁺ udviklet ^9.

Aptameren (Gd-aptamer) er en 44-base, lang enkeltstrenget DNA molekyle med en specifik sekvens af baser, der blev isoleret gennem processen med systematisk udvikling af ligander ved eksponentiel berigelse (SELEX) ^9. At tilpasse aptamer til en fluorescerende sensor, er en fluorofor bundet til 5'-terminale ende af strengen, som derefter hybridiseres med en quenching-streng (QS) via 13 komplementære baser (figur 1). QS er tagget med en mørk quencher-molekyle i 3'-terminus. I mangel af Gd3 ^+, sensoren (Gd-sensor), består af en 1: 2 molforhold Gd-aptamer og QS henholdsvis vil have minimal fluorescensemission grund to energioverførsel fra fluoroforen til quencher. Tilsætning af vandig Gd3 ⁺ vil fortrænge QS fra Gd-aptamer, hvilket resulterer i en stigning i fluorescensemission.

Figur 1. Sensoren (Gd-sensor), der består af 44 baser lang aptamer (Gd-aptamer) mærket med fluorescein (a fluorofor) og 13-basen lang quenching streng (QS) tagget med dabcyl (en mørk quencher) . I mangel af ucheleret Gd3 ^+, fluorescensen af sensoren er minimal. Med tilsætning af Gd3 ^+, forskydning af QS forekommer, og der observeres en stigning i fluorescensemission. Klik her for at se en større version af dette tal.

Der er på nuværende tidspunkt, et almindeligt brugt spektroskopiske-metode til at påviseing vandig Gd3 ^+. Dette assay anvender molekylet xylenol orange, som gennemgår en forskydning i den maksimale absorptionsbølgelængde fra 433 til 573 nm ved chelatering til ionen ^10. Forholdet mellem disse to absorbans maksima kan anvendes til at kvantificere mængden af ucheleret Gd3 ^+. Den aptamer sensoren er et alternativ (kan også være et supplement) til xylenol appelsin-analysen, da de to metoder har forskellige reaktionsbetingelser (såsom pH og sammensætningen af ​​bufferopløsninger anvendt), target selektiviteter, lineære intervaller af kvantificering, og afsløring modaliteter ^9.

Protocol

BEMÆRK: molekylærbiologisk kvalitet vand anvendes i alle buffer- og opløsningspræparater. Alle engangsartikler rør (mikrocentrifugerør og PCR) og pipettespidser er DNase- og RNase-fri. Se venligst sikkerhedsdatablad (MSDS) for alle kemikalier før brug. Anvendelse af egnede personlige værnemidler (PPE) anbefales kraftigt.

1. Fremstilling af aptameren Stamopløsninger

1. Køb 2 tråde af polydeoxynukleotid kommercielt. Bestille begge strenge med rensning ved hjælp af højtydende væskekromatografi (HPLC).
   Strand 1 (Gd-aptamer):
   5 '- / 56-FAM / AGGCTCTCGGGACGACCAGTTGGTCCCGCTTTATGTGTCCCGAG-3'
   Kategori 2 (QS):
   5'-GTCCCGAGAGCCT / 3Dab / -3 '
2. Opløs hver streng i vand for at gøre 100 um individuelle stamopløsninger af Gd-aptamer og QS.
3. Gemme disse opløsninger ved -20 ° C. Opløsningerne er stabile indtil videre af 3 år.
4. For at minimere freeze-tø cykler, gemme stamopløsninger i 10 pi prøver.

2. Fremstilling af 2x Gd-sensor Solution

1. Forbered assaybuffer (20 mM HEPES, 2 mM _MgCl2, 150 mM NaCl, 5 mM KCI). Justere pH til ~ 7,4 med NaOH og HCI og filtreres gennem sterile engangs flaske top filtre med 0,2 um PES membran. Opbevar i sterile flasker. Hvis filtreret og opbevaret korrekt (ved stuetemperatur), er bufferen stabil hidtil, i 2 år.
2. Fortynd 1 pi af Gd-aptamer stamopløsning (fra trin 1.2) og 2 pi af QS-stamopløsning (fra trin 1.2) i 497 pi assay buffer. Bland godt ved anvendelse af en vortex. Deres koncentrationer i 2x Gd-sensor opløsning er 200 nM og 400 nM.
   BEMÆRK: Volumenet af 2x Gd-sensor opløsning fremstillet i dette trin er 500 pi, hvilket er tilstrækkeligt til at teste 6 - 7 forskellige koncentrationer af Gd3 ⁺ for kalibreringskurven og løsninger kontrastmidlet(Trin 3). Hver prøve vil give dobbelte brønde i en plade med 384 brønde.
   1. Justere lydstyrken af 2x Gd-sensor opløsning ifølge antallet af Gd3 ⁺ løsninger, der skal testes.
3. Overfør 2x Gd-sensor opløsning i 9 PCR-rør, med 50 pi i hvert rør. Anbring glassene i et termisk cykliseringsapparat.
4. Indstille programmet i det termiske cyklusapparat at opvarme opløsningen i rørene til 95 ° C, hold i 5 min, og derefter langsomt afkøle opløsningerne til 25 ° C i løbet af ~ 15 min (med en hastighed på ~ 0,05 - med 0.1 ° C / s). Den opvarmning og afkøling cyklus er at sikre optimal hybridisering mellem Gd-aptamer og QS. Delvise hybridiseringsbetingelser medfører ufuldstændig quenching og en højere baggrundsfluorescens af sensoren. Hvis en thermal cycler ikke er tilgængelig, udføres denne proces ved anvendelse af et varmt vandbad i stedet.
5. Når afkølet til 25 ° C, umiddelbart anvende løsningen, eller holde i det termiske cykliseringsapparat (op til ca. 2 timer), indtil klar til at bliveanvendes. Når der anvendes et vandbad til opvarmning, lad rørene i badet som vandet langsomt køler til stuetemperatur.

3. Konstruktion af Fluorescence Calibration Curve og påvise tilstedeværelsen af ucheleret Gd ³⁺ i en opløsning af Gd Contrast Agent

1. Opløs GdCl ₃ faststof i assaypufferen (den samme puffer som i trin 2.1).
2. Via seriel fortynding, fremstilling af 100 pi hver af 6 forskellige Gd3 ⁺ løsninger i mikrocentrifugerør ved dobbelt af det endelige ønskede koncentrationer for kalibreringskurven (2x opløsninger).
   1. For eksempel for at konstruere en kalibrering til 0 (puffer kun med ingen GdCl _3), 50, 100, 200, 400, og 800 nM af Gd3 ^+, fremstille opløsninger indeholdende 0, 100, 200, 400, 800, og 1.600 nM af ionen. Sørg for altid at inkludere den "tomme" med 0 nM Gd ³⁺ som negativ kontrol.
3. Opløs kontrastmidlet at være tested i assaypuffer. Forbered 2 eller 3 forskellige koncentrationer af opløsninger kontrastmidlet via seriel fortynding.
   BEMÆRK: Test 3 forskellige koncentrationer af kontrastmidlet opløsning anbefales. Dette er for at sikre, at disse koncentrationer er inden for det lineære område. Hvis de testede ikke udviser et lineært forhold prøver, reducere koncentrationen af ​​kontraststof, der anvendes.
4. Tag PCR-rørene indeholdende 2x Gd-sensor opløsning fra trin 2.5 ud af det termiske cyklus.
5. Tilsæt 50 pi af hver Gd3 ⁺ opløsning fra trin 3.2 i 6 af de 9 PCR-rørene indeholdende 2x Gd-sensor opløsning. Bland ved at pipettere op og ned. Hver PCR-rør indeholder nu den ønskede koncentration af Gd3 ^+, der skal testes, 100 nM Gd-aptamer, og 200 nm QS.
6. Til de resterende PCR-rør indeholdende 2x Gd-sensor opløsning, tilsættes 50 pi af opløsninger kontrastmidlet fra trin 3.3. Bland godt ved pipettering op og ned et par gange.
7. Inkubér solutions i PCR rør til omkring 5 minutter ved stuetemperatur. De kan henstå i op til 30 min.
8. Overfør 45 pi hvert rør i en plade med 384 brønde. Hver PCR-rør vil give dobbelte brønde.
9. Optage fluorescensen af ​​hver brønd på en plade-læser. Fluoroforen (FAM), der anvendes i Gd-sensor design har excitation og emission maxima af 495 og 520 nm, som anført på leverandørens hjemmeside. Vælge passende excitations- og emissionsbølgelængder eller filtre afhængigt af om pladelæser er monochromator- eller filter-baseret.
10. Plot grafen for fluorescens i arbitrære fluorescensenheder (AFU) mod koncentration af Gd ^3+.
11. Plot grafen som fluorescens gange ændring mod koncentration af Gd ^3+. Beregn fluorescens gange ændring ved at dividere AFU af hver koncentration af AFU af 'blank' løsning (med 0 nM Gd ^3+). Fluorescensen fold ændring vil gøre det muligt at normalization af resultaterne, bør det AFU display nogle periodisk (forskellige dage, osv) variationer.
12. Sammenlign fluorescensemissionen af opløsningen indeholdende kontrastmidlet og "blank", som er den opløsning, der indeholder 0 nM GdCl ₃ (kun buffer).
    BEMÆRK: En højere fluorescens af gbca løsning indebærer tilstedeværelsen af ucheleret Gd3 ^+, hvilket kan nødvendiggøre yderligere oprensning af kontrastmidlet. Mængden af ucheleret Gd ³⁺ nuværende kan estimeres ved hjælp af kalibreringskurven i trin 3.10 eller 3.11.

Representative Results

En typisk fluorescens ændring af Gd-sensor opløsning i nærvær af ucheleret Gd3 ⁺ er vist i figur 2. Emissionen kan afbildes som fluorescens gange ændring (figur 2A) eller den rå fluorescens aflæsning (figur 2B) i arbitrære enheder (AFU). Begge grunde give meget lignende kalibreringskurver med et lineært område for koncentrationer af Gd3 ⁺ under 1 uM og mætning af signalet ved> 3 uM. Detektionsgrænsen er ~ 100 nM med en signal-til-støj forhold på 3.

I opløsninger indeholdende den gbca af interesse, vil tilstedeværelsen af ucheleret Gd3 ⁺ oversættes til en fluorescens forøgelse af sensoren i forhold til 'blank "løsning. Fluorescens ændringer i opløsninger af 2 forskellige batcher af Gd-DOTA-kompleks, en af ​​højere renhed end den anden, er shown som eksempler på repræsentative resultater (figur 3). Gd-DOTA (gadoterinsyre) er et gadolinium kompleks af Gd3 ⁺ omgivet af en organisk ligand DOTA, der findes i en kommerciel kontrastmiddel. Det parti højere renhed viser ikke en signifikant stigning i emission på op til 20 mM Gd-DOTA. Når ucheleret Gd ³⁺ er til stede, er en ændring, som er mærkbar selv ved Gd-DOTA koncentrationer under 5 mM observeret. I dette eksempel, hvor datapunkterne plottes som fluorescens gange ændring af føleren, kan kvantificering af mængden af ucheleret Gd3 ⁺ estimeres ved anvendelse af kalibreringskurven i figur 2A.

Figur 2. Repræsentative Gd-sensor fluorescens kalibreringskurveprøverne plots. Alle datapunkter blev udført i det mindste i dubletter og den gennemsnitlige værdier plotted med standardafvigelse fejlen barer. (A) En kalibreringskurve opnået ved hjælp af 100 nM Gd-aptamer og 200 nM QS. Grafen er plottet med fluorescens fold forandring som y-aksen. (B) Samme kalibreringskurve som i (A) med rå fluorescens i arbitrære enheder (AFU) som y-aksen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3. repræsentant Gd-sensor fluorescensændring ved test af tilstedeværelsen af ucheleret Gd3 ⁺ i prøver af Gd-DOTA-molekyle. To forskellige batches af Gd-DOTA komplekse løsninger er vist i dette plot, en af højere renhed (cirkel markør) og den anden indeholder ucheleret Gd ³⁺ (blå triangle markør). Hvert datapunkt er et gennemsnit af to målinger med standardafvigelse fejlsøjlerne. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Brug af aptamer-baserede Gd-sensor, en stigning i fluorescensemission, der er proportional med koncentrationen af ucheleret Gd3 ⁺ observeres. For at minimere mængden af ​​anvendte prøve kan assayet køres i en 384-brønds mikroplade med en samlet prøvevolumen på 45 pi per brønd. I dette design, blev valget af fluorescein (FAM) og dabcyl (Dab) primært baseret på prisen på reagenserne; at ændre emissionsbølgelængden, en anden parring af fluorofor og quencher kan anvendes ^11.

Det er vigtigt at bemærke, at for at opnå det bedste resultat med sensoren, en af ​​de kritiske trin er opvarmning til 95 ° C og langsom afkøling (trin 2.4) i analysebuffer at opnå optimal hybridisering mellem Gd-aptamer og QS tråde. Som tidligere nævnt i protokollen, hvis et termisk cykliseringsapparat er ikke tilgængelig, inkubering ved 95 ° C kan udføres i et vandbad. En anden vigtig parameter til at styre er than sammensætninger af de pufferopløsninger; anbefales brugen af ​​assaypufferen angivet i trin 2.1 til opløsning af kontrastmidlet, eller kan også anvendes deioniseret vand. Dog bør undgås opløsninger, der indeholder potentielle forstyrrende. Et eksempel på en sådan buffer er en, der indeholder phosphatanioner, som kan koordinere til ucheleret Gd3 ⁺ for at danne uopløseligt gadolinium phosphat ^12. Bundfaldet vil ikke reagere med sensoren, hvilket resulterer i et falsk negativt resultat.

Et par skridt i forsøgene kan modificeres uden at påvirke resultatet. Dels at forenkle analysen og beregning, forberede både Gd-sensor opløsning, og den vandige GdCl ₃ for kalibreringskurven ved 2x koncentrationer. Om ønsket kan andre fortyndingsfaktorer anvendes (f.eks 10x opløsninger), forudsat at det endelige assay koncentrationer af Gd-aptamer og QS fastholdes på 100 nM og 200 nM. Sekund, assaybufferen dOES ikke at være nøjagtigt pH 7,4. Enhver værdi mellem 7 - 7,4 vil frembringe den ønskede fluorescens stigning, så længe den samme puffer anvendes i hele forsøget. Tredjedel, når læsningen fluorescensemissionen opnås, datapunkterne kan plottes enten som rå fluorescens i vilkårlig enhed (AFU) eller som fluorescens gange ændring. At beregne fluorescens gange ændring, er den rå fluorescens aflæsning af hver koncentration normaliseret til (divideret med) læsning af den negative kontrol (0 nM Gd3 ^+). Som vist i figur 2A og B, fluorescensemissionen tendenser i begge plots er næsten identiske. Folden ændring kan være en mere praktisk måde at analysere de data, hvis pladen læseren viser nogle variationer i de rå målinger optaget på forskellige tidspunkter. Endelig, hvis laboratoriet er udstyret med et fluorometer, men ikke en pladelæser, hvert datapunkt kan måles ved anvendelse af en kuvette, i stedet for en mikroplade. Afhængig af størrelsen of de tilgængelige kuvetter kan være nødvendigt at justere de mængder af de løsninger udarbejdet i analysen.

Fremgangsmåden rapporteret heri tilvejebringer et alternativ til chromatographic- og / eller spektrometriske teknikker til påvisning vandig Gd3 ^+. I forhold til sidstnævnte, at Gd-sensor assay er mere begrænset, hvad angår følsomhed, nøjagtighed, og evne til samtidig påvisning af flere arter. På den anden side, den spektroskopiske-baserede sensor kræver en instrumentering, der muligvis kan være lettere tilgængelige, kan udføres inden for et kortere tidsrum, og præparatet prøven er minimal. Kontrastmidlet kan simpelthen opløst i pufferopløsningen, blandet med Gd-sensor opløsning, og fluorescensemissionen målt direkte. Endvidere sensoren kan detektere en meget lavere koncentration af ucheleret Gd3 ⁺ end xylenol appelsin indikator (ca. 2 størrelsesordener forskel mellem de to metoder) og har enhøjere selektivitet for Gd3 ⁺ over flere andre biologisk vigtige og overgangsmetalioner ^9.

Der er to ulemper ved denne assay, der kan begrænse dets anvendelse under visse forsøgsbetingelser. En begrænsning er, at sensoren ikke er specifik for Gd3 ^+; Det viser en reaktion på andre lanthanidioner (såsom Eu ³⁺ og Tb ^{3+) 9.} Men disse er ikke ioner almindeligvis findes i kontrastmidler eller biologiske systemer, og derfor deres indblanding er minimale. Det andet punkt at bemærke, er, at ved højere koncentrationer (over ~ 10 uM) af Gd ^3+, et gradvist fald i Gd-sensor fluorescensemission overholdes. Virkningen af quenching af lanthanidioner er et veldokumenteret fænomen ^13, som også har været brugt som en teknik til at detektere og kvantificere dem ^14. Mens dette begrænser anvendeligheden af sensor til måling af høje koncentrationer af Gd3 ⁺

I dette arbejde har brugen af en bekvem fluorescens-baserede teknik til påvisning toksisk ucheleret Gd3 ⁺ i vandig opløsning blevet beskrevet. Denne analyse er beregnet til den tidlige vurdering af gadolinium-baserede kontraststof renhed, specielt under syntesen og formulering til in vitro-forsøg. Med den nuværende vækst af magnetisk resonansimagografi i diagnose, er et stigende antal af hidtil ukendte kontrastmidler kontinuerligt at udforme og teste. Den aptamer-baserede Gd-sensor vil lette denne udvikling ved at tilvejebringe et organ til hurtig påvisning af tilstedeværelsen af sub-mikromolære koncentrationer af uomsat eller dissocieret Gd3 ⁺ i vandig opløsning ved omgivelsernes pH. Da sensoren viser krydsreaktivitet med andre trivalente lanthanidioner kan dens anvendelse væreudvides til disse forskningsområder.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gd-aptamer	IDTDNA	Input sequence and fluorophore modification in the order form	A fluorophore with a different emission wavelength may be used. The aptamer may also be ordered from another company.
Quenching strand	IDTDNA	Input sequence and quencher modification in the order form	A different quencher for optimal energy transfer from the fluorophore may be used. The aptamer may also be ordered from another company.
Molecular biology grade water			No specific manufacturer, both DEPC or non-DEPC treated work equally well
Gadolinium(III) chloride anhydrous	Strem	936416	Toxic
HEPES	Fisher Scientific	BP310-500
Magnesium chloride anhydrous	MP Biomedicals	0520984480 - 100 g
Sodium Chloride	Acros Organics	327300025
Potassium chloride	Fisher Scientific	P333-500
Sodium hydroxide, pellets	Fisher Scientific	BP359	Corrosive
Hydrochloric acid	Fisher Scientific	SA49	Toxic and corrosive
384-well low flange black flat bottom polystyrene NBS plates	Corning	3575	Plates which are suitable for fluorescence reading are required.
Nalgene Rapid-Flow sterile disposable bottle top filter	Thermo Scientific	5680020	The bottle top is fitted with 0.2 micron PES membrane
Disposable sterile bottles 250 mL	Corning	430281	A larger or smaller bottle may be used
1.5 mL microcentrifuge tubes			No specific manufacturer, as long as they are DNAse and RNAse-free
0.2 mL PCR tubes			No specific manufacturer, as long as they are DNAse and RNAse-free
Micropipets			No specific manufacturer
Pipet tips (non filter) of appropriate sizes			No specific manufacturer, as long as they are DNAse and RNAse-free
Equipment
Plate reader	Biotek Synergy H1		Plate readers from other manufacturers would work equally well