The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
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1Department of Nanomedicine, The Methodist Hospital Research Institute, 2CAS Key Laboratory for Biological Effects of Nanomaterials & Nanosafety, National Center for Nanoscience and Technology
Fan, J., Gallagher, J. W., Wu, H. J., Landry, M. G., Sakamoto, J., Ferrari, M., et al. Low Molecular Weight Protein Enrichment on Mesoporous Silica Thin Films for Biomarker Discovery. J. Vis. Exp. (62), e3876, doi:10.3791/3876 (2012).
1. चिप निर्माण
2. पूर्व उपचार नमूना
3. सीरम Fractionation
4. MALDI-TOF पेप्टाइड्स का विश्लेषण
5. डेटा विश्लेषण
6. प्रतिनिधि परिणाम
जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, इस अध्ययन में हम nanotextures की एक किस्म के साथ mesoporous सिलिका पतली फिल्मों की एक श्रृंखला निर्मित और व्यापक का पता लगायाचयनात्मक पर कब्जा करने और मानव सीरम से LMW पेप्टाइड और प्रोटीन समृद्ध है. चित्रा 2a और ख में ir उपयोग दा 900 से 10,000 की रेंज में पेप्टाइड्स के लिए और 3,000 रेंज में प्रोटीन के लिए unprocessed सीरम नमूना एमएस स्पेक्ट्रा दिखाते ~ क्रमशः 70,000 दा . इन स्पेक्ट्रा अच्छी तरह से ionized है, बहुत ही प्रचुर मात्रा, उच्च आणविक वजन की उपस्थिति के कारण LMW क्षेत्र में संकेत दमन वर्णन Albumin. चित्रा -2 सी और डी के रूप में प्रोटीन (HMW) एमपीएस L121 द्वारा विभाजन के बाद सीरम नमूना एमएस स्पेक्ट्रा को दर्शाती है (ध्यान में लीन होना आकार, 6 एनएम). बड़े अणुओं के बहुमत समाप्त हो गया है, LMW घटकों के एक महत्वपूर्ण संवर्धन में जिसके परिणामस्वरूप. एक नियंत्रण के रूप में, एक ही सीरम नमूना एक nonporous शुद्ध सिलिका सतह पर लागू किया गया था में एमपीएस पतली फिल्मों की विशिष्टता का मूल्यांकन LMWP वसूली के लिए. चित्रा 2e और च के रूप में देखा जा सकता है, वहाँ स्फूर्ति से कोई महत्वपूर्ण कटाईज्वार या प्रोटीन nonporous सिलिका से. इस प्रकार यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि यह mesoporous वास्तुकला और नहीं सिलिका सतह संबंध कि LMWP के संवर्धन में प्रबल कारक का गठन किया था.
ध्यान में लीन होना आकार में ठीक नियंत्रित विविधताओं हाइड्रोफोबिक ब्लॉक लंबाई भिन्न के साथ copolymers के प्रयोग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है. डिजाइन प्रोटीन और पेप्टाइड मिश्रण का उपयोग करके, LMW पेप्टाइड और प्रोटीन वसूली प्रभावकारिता पर ध्यान में लीन होना आकार के प्रभाव एमपीएस अलग मात्रा के अनुपात के साथ चार Pluronic surfactants (F127, P123, L121, L121 और अधिक सूजन एजेंट) से तैयार की पतली फिल्मों का उपयोग कर जांच की गई हाइड्रोफिलिक और hydrophobic उपकरणों के 3.7 एनएम ध्यान में लीन होना आकार, 5.2 एनएम, 7.4 एनएम, और 9.0 एनएम क्रमशः फार्म. ध्यान में लीन होना आकार की यह रेंज पेप्टाइड्स और आकार और आकार अपवर्जन (चित्रा 3) के माध्यम से एक ही सीरम नमूना से प्रोटीन के विभिन्न प्रदर्शनों की सूची की वसूली के लिए नेतृत्व किया. उच्च आणविक भार पर प्रोटीन स्पेक्ट्राचिप के प्रत्येक प्रकार की कटौती बंद आणविक emonstrate. आकार पर निर्भर HMW प्रोटीन की कमी के अलावा मानकों के समाधान के विभाजन पर चिप एक अंतर है और रोमकूप आकार के साथ जुड़े LMW प्रजातियों की चयनात्मक संवर्धन प्रदर्शित करता है. दो तरह पदानुक्रमित चित्र 3b में प्रस्तुत क्लस्टरिंग LMW मानकों संवर्धन विभिन्न एमएससी के साथ प्राप्त पैटर्न से पता चलता है. यहां तक कि अगर सभी पेप्टाइड चिप्स का कट ऑफ आणविक नीचे हैं, वहाँ ध्यान में लीन होना आकार और फंस प्रजातियों के आणविक वजन के बीच एक सकारात्मक संबंध है. बड़े pores, 9 एनएम, के साथ एमएससी preferentially बड़ा पेप्टाइड्स फसल, जबकि छोटे पेप्टाइड्स छोटे pores के साथ चिप्स द्वारा और अधिक कुशलता से बरामद कर रहे हैं. mesoporous व्यवस्था की संरचनात्मक परिवर्तन टेम्पलेट बहुलक की एकाग्रता ट्यूनिंग द्वारा किया गया. टेम्पलेट बहुलक की एकाग्रता बढ़ाने के चरणों के बीच एक कम interfacial वक्रता के परिणामस्वरूपपानी, copolymer, और सिलिकेट, फलस्वरूप एक गोलाकार से एक बेलनाकार संरचना करने के लिए interrelated प्रगति की शुरुआत. F127 pluronic, इसकी उच्च आण्विक भार के साथ, संरचनात्मक आवधिकता के इस उच्च स्तर के पास. समाधान शुरू में F127 की एकाग्रता बढ़ाने के द्वारा, विभिन्न एमपीएस पतली फिल्म आवधिक nanostructures के nanostructure से 3 डी 2 डी nanostructure प्राप्त किया जा सकता है. 3 डी घन और मधुकोश हेक्सागोनल nanostructures, अधिक वांछनीय nanopore interconnectivity और अधिक सुलभ nanopore morphology रखने, चुनिंदा 2D हेक्सागोनल संरचना से LMW पेप्टाइड्स समृद्ध में बेहतर प्रदर्शन दिखा रहे हैं, भले ही वे इसी तरह के ध्यान में लीन होना आकार वितरण और सीरम के लिए एक ही कटौती बंद आणविक का हिस्सा fractionation (चित्रा 4). हम भी सुव्यवस्थित एमपीएस चिप्स पर organo-silane ऑक्सीजन प्लाज्मा शुरू करने के लिए चिप सतह pretreat ashing विकार. आदेश में गुणात्मक चुनें पर electrostatic प्रभाव का अध्ययन करने के लिएive के संवर्धन पर चिप, हम प्रोटीन और पेप्टाइड मिश्रण का उपयोग करें. एमएस प्रोटिओमिक मानकों एमपीएस L121 साथ तैयार चिप्स पर fractionated और रासायनिक कार्य समूहों के साथ संयुग्मित समाधान के विश्लेषण चित्रा 5 में प्रस्तुत किया है. का आरोप लगाया सकारात्मक और नकारात्मक आरोप लगाया पेप्टाइड्स और LMW प्रोटीन ऋणयानी और cationic चिप्स पर कब्जा कर रहे हैं क्रमशः. सकारात्मक निवल प्रभारी के साथ पेप्टाइड्स उबरने में कई एमपीएस चिप्स के मात्रात्मक तुलना चित्रा 5a में प्रदर्शित किया जाता है. नकारात्मक प्रभारी और चिप्स के साथ किसी भी संशोधन (एक छोटी सी नकारात्मक चार्ज मूल के साथ) के बिना चिप्स APTES (राष्ट्रीय राजमार्ग 2) के साथ संशोधित चिप्स की तुलना में उन पेप्टाइड्स के लिए काफी अधिक संवर्धन दिखा रहे हैं. इसके विपरीत, सकारात्मक आरोप लगाया एमपीएस चिप्स असाधारण क्षमता के अधिकारी करने के लिए नकारात्मक शुद्ध प्रभारी के साथ उन पेप्टाइड्स ठीक है, के रूप में चित्रा 5 ब में प्रदर्शन. जबकि α endorphin एक महत्वपूर्ण परिवर्तन घ नहीं दिखा हैलगभग 6 इसके पीआई के लिए ue.

चित्रा 1 एमपीएस चिप्स और fractionation LMW संवर्धन के सिद्धांत. नमूना की सतह पर खोलना करने के बाद, LMW प्रोटीन और पेप्टाइड pores में फंस रहे हैं, जबकि बड़ी प्रजाति pores के बाहर रह रहे हैं और वाशिंग चरणों के दौरान हटा दिया. समृद्ध भिन्न और फिर eluted और MALDI से विश्लेषण कर रहे हैं.

चित्रा 2 पेप्टाइड mesoporous सिलिका पतली फिल्म चिप्स का उपयोग कर संवर्धन. दोनों कम द्रव्यमान (900 10 000 दा) रेंज और उच्च द्रव्यमान (3000 70 दा 000) से पहले रेंज (ए, बी) और (ग, घ) mesoporous सिलिका पतली फिल्मों पर सीरम प्रसंस्करण (के बाद MALDI एमएस प्रोफाइल L121, 6 एनएम). आणविक वसूली काफी कम हो जाता है जब रिक्त nonporous सिलिका सतहों (ई, च) का उपयोग कर.
चित्रा 3 एमपीएस चिप्स के आण्विक कट ऑफ और आकार पर निर्भर संवर्धन. (क) MALDI स्पेक्ट्रा के प्रत्येक एमपीएस चिप्स ध्यान में लीन होना आकार को correlating की विशेषता कटौती बंद आणविक प्रदर्शन बढ़ाया दृश्य. (ख) विभिन्न चिप्स के बीच पेप्टाइड मिश्रण सुविधाओं के दो तरह पदानुक्रमित क्लस्टरिंग. लाल या पीले रंग की तीव्रता रिश्तेदार पेप्टाइड एकाग्रता इंगित करता है. बड़े pores बड़ा पेप्टाइड्स (3600 से 8500 दा के लिए) की कटाई बढ़ाया है, जबकि छोटे पेप्टाइड (900 3500 दा से) preferentially छोटे pores के साथ चिप्स से बरामद किए गए.

चित्रा 4 एमपीएस पतली फिल्मों और अलग nanostructures साथ चयनात्मक वसूली की शारीरिक अभिलक्षण. XRD पैटर्न (क, ख, ग), (इनसेट एक, ख, ग) मंदिर, अग्रदूत समाधान में अलग सांद्रता में F127 Pluronic: 4.0 ×10 -3 (क) एम, 6.0 × 10 एम -3 (ख), और 8.0 × 10 एम -2 (ग). (घ) 3 डी घन और 3 डी हेक्सागोनल F127 प्रोटिओमिक चिप्स (पशुशावक और हेक्स, क्रमशः) पर चयनात्मक वसूली illustrating के पेप्टाइड्स का पता लगाने की तीव्रता के बार ग्राफ. विभिन्न संरचनात्मक संशोधनों के एक चयनात्मक संवर्धन के वर्तमान.
चित्रा 5 प्रभार अलग सतह के कार्यों के साथ चिप्स के लिए विशेष वसूली. चुनिंदा functionalized चिप्स पर कब्जा कर लिया पेप्टाइड्स का पता लगाने के एमएस तीव्रता के बार ग्राफ. उनके आईएसओ बिजली बिंदु के अनुसार, पेप्टाइड्स सकारात्मक या नकारात्मक पीएच 7.0 पर आरोप लगाया है. (क) सकारात्मक (पेप्टाइड (1) des-Arg1 Bradykinin, (2) Bradykinin, (3) पी एमाइड पदार्थ, (4), Neurotensin, (5) (1-17) ACTH, (6) (ACTH के 7 38)) विशेष रूप से नकारात्मक आरोप लगाया सुर को समृद्ध कर रहे हैंचेहरे. (ख) नकारात्मक पेप्टाइड्स (7 () Glu1 थॉम्बिन की क्रिया द्वारा रक्त के जमने के दौरान कोई ब्रिनोजेन के द्वारा हटाया गया पदार्थ बी (8) α endorphin, (9) (18-39), ACTH है, (10) इंसुलिन, (11) EGF, (12) GFII इंसुलिन की तरह) हैं सकारात्मक आरोप लगाया सतहों पर विशेष रूप से समृद्ध है.
चित्रा 6 fractionated सीरम पर चिप स्थिरीकरण. (क) प्रतिनिधि LMW पेप्टाइड और प्रोटीन की MALDI प्रोफाइल सीरम fractionation (ऊपर) के तुरंत बाद या कमरे के तापमान (नीचे) पर 3 पर चिप भंडारण के विकेटकीपर के बाद eluted. (ख) ऊपर से नीचे तक: प्रत्येक को दोहराने में पता चला एमएस चोटियों की औसत तीव्रता के रेखीय प्रतिगमन विश्लेषण के हौसले fractionated सीरम और सीरम fractionated के बाद कमरे के तापमान पर 3wk एमपीएस चिप्स भंडारण के लिए 1 को दोहराने के तुलना में. समीकरण, CV, और दृढ़ संकल्प के गुणांक (2 आर) का संकेत कर रहे हैं.
सबूत बढ़ते है कि संचार proteome के कम आणविक वजन क्षेत्र रोग का जल्दी पता लगाने के लिए एक नैदानिक biomarkers के एक अमीर स्रोत है. इस प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में, हम अलग ध्यान में लीन होना आकार, ताकना संरचनाओं और संशोधन करने के लिए चुनिंदा पेप्टाइड्स और कम आणविक भार प्रोटीन समृद्ध के साथ mesoporous सिलिका चिप्स की एक श्रृंखला प्रस्तुत की. प्रोटीन स्थिरता का मूल्यांकन करने के लिए, एमपीएस चिप्स मानव सीरम, धोने के बाद सूखे के साथ incubated रहे थे, और कमरे के तापमान पर 3wk के लिए संग्रहीत. पैटर्न प्राप्त प्रोटीन पेप्टाइड / हौसले fractionated सीरम की उन (6a चित्रा), के रूप में सांख्यिकीय चित्र 6b में पता चला विश्लेषण के परिणामों से पुष्टि के साथ तुलनीय थे. पीक औसत CV के द्वारा मापा संकेतों की परिवर्तनशीलता कच्चे सीरम के लिए 12.7% और fractionated नमूने के लिए 14.2% पर अनुमान लगाया गया था. सीमांत विविधताओं के MALDI साधन की आंतरिक परिवर्तनशीलता के कारण हो और सुझाव हो सकता है कि ओn चिप pretreatment और भंडारण एमएस प्रोटीन प्रोफाइल के किसी भी महत्वपूर्ण परिवर्तन के लिए प्रेरित नहीं किया. गैर झरझरा सिलिकॉन पर ही प्रयोग किया गया है. सूखे सिलिकॉन की सतह पर भंडारण के बाद बरामद सीरम MALDI विश्लेषण से पहले एमपीएस चिप्स पर fractionated था. गरीब एमएस प्रोफ़ाइल mesoporous सतह की स्थिरीकरण लाभ प्रदर्शन प्राप्त की. पहले माने तंत्र के साथ तुलना में, हम परिकल्पना है कि LMW nanopores के अंदर फंस प्रजातियों गिरावट से proteases के आकार अपवर्जन के माध्यम से संरक्षित किया गया, या में nanopores की सीमित स्थान में उनके proteolytic गतिविधि की steric निषेध द्वारा. एमपीएस चिप आधारित पद्धति और जटिल जैविक तरल पदार्थ के अध्ययन के LMW प्रोटीन रूपरेखा पेप्टाइड में एक शक्तिशाली उपकरण किया जा सकता है. एमपीएस चिप्स के निर्माण और उत्पादन के लिए ऊपर पहुंचा नमूनों की एक बड़ी संख्या के साथ - साथ प्रसंस्करण प्राप्त करने की अनुमति के लिए सस्ती कर रहे हैं, खोजपूर्ण स्क्रीनिंग और जैव के लिए लाभप्रद सुविधाएँ प्रदानमार्कर खोज.
हम खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
यह काम NanoHealth पूर्व केंद्र (W81XWH-11-2-0168) पुरस्कार और कैंसर Nanomedicine के लिए टेक्सास केंद्र (1U54CA151668 01) की गठबंधन द्वारा वित्त पोषित किया गया.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Tetraethoxysilane | Sigma-Aldrich | 131903 | 98% |
| Spin coater | Brewer Science, Inc. | Cee 200X | |
| Plasma Asher | Nordson March | AP-600 | |
| Spectroscopic Ellipsometer | J. A. Woollam Co. | M-2000DI | |
| MALDI-TOF | Applied Biosystems | Voyager-DE-STR | |
| α-cyano-4-hydroxycinnamic acid | Sigma-Aldrich | C8982 | Matrix for MALDI-TOF |
| trans-3,5-dimethoxy-4-hydroxycinnamic acid | Sigma-Aldrich | 85429 | Matrix for MALDI-TOF |
| Stir hot plate | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 11-475-30Q | |
| CultureWell chambered coverglass | Sigma-Aldrich | GBL103350 | 3 mm diam. ×1 mm depth, 3-10 μL, sterile |
| Pluronic F 127 | BASF | PEO106-PPO70-PEO106 | |
| Pluronic L121 | BASF | PEO5-PPO70-PEO5 | |
| Pluronic P123 | BASF | PEO20-PPO70-PEO20 | |
| Table 1. Physico-chemical properties and designed concentrations (Molecular weight and Iso-electric point) of the selected peptide and protein standards. | |||