所述细胞检测旨在鉴定能够抑制或刺激CXC趋化因子受体4(CXCR4)相互作用的试剂,这些试剂可通过竞争性或变构方式抑制或激活由CXCR4激活引发的细胞内Ca2+ 释放。
所述细胞检测旨在鉴定能够抑制或刺激CXC趋化因子受体4(CXCR4)相互作用的试剂,这些试剂可通过竞争性或变构方式抑制或激活由CXCR4激活引发的细胞内Ca2+ 释放。
G蛋白偶联受体(GPCRs)在制药行业中具有重要意义,因其参与多种人类疾病的发生发展,并包含多个已被充分验证的治疗干预靶点。发现能够特异性抑制受体功能的先导化合物(包括小分子合成化合物)是药物开发的重要初始步骤,依赖于灵敏、特异且稳健的基于细胞的检测方法。本文描述了一种以荧光信号为读数的动态细胞检测方法,主要用于鉴定特异性拮抗剂,这些拮抗剂可抑制由内源性配体CXC趋化因子配体12(CXCL12)激活CXC趋化因子受体4(CXCR4)所引发的细胞内Ca2+释放。该方法的一个关键优势在于,它还能用于筛选具有内在激动活性的化合物(即,在无CXCL12存在时可诱导细胞内Ca2+浓度升高的化合物),或通过结合变构位点来调节受体功能的化合物(即,正向和负向变构调节剂(PAMs和NAMs))。其局限性在于,具有自发荧光的化合物可能干扰检测信号,从而影响数据的可靠解读。该检测方法很可能只需极少的调整,即可作为通用药物筛选平台,适用于其他多种激活后可引起细胞内Ca2+释放的GPCRs。
G蛋白偶联受体(GPCR)是一类重要的细胞表面蛋白超家族,可在胞外配体结合后激活信号转导级联反应。它们可被多种刺激物激活,包括肽类、蛋白质激素、生物胺和脂质,从而启动多种细胞内信号通路,并最终引发生物学反应1,2。此外,GPCR参与了大多数(如果不是全部)发育和生理过程,许多人类疾病与GPCR信号功能障碍或受体过度表达相关。因此,GPCR是医学领域中最为公认的药物靶点之一1,3。
通常,GPCR药物发现的工作流程始于细胞筛选实验,以鉴定能够调节特定GPCR活性的化合物,例如小分子、单克隆抗体和多肽。在GPCR药物发现中,存在多种不同类型的检测方法用于寻找此类化合物,其中大多数方法适用于中至高通量筛选项目。最常用的检测方法包括受体结合实验、基于荧光或发光检测所谓第二信使(例如,Ca2+、环磷酸腺苷(cAMP))水平变化的检测、表型筛选实验以及β-阻遏蛋白(β-arrestin)招募检测4。选择特定类型的检测方法可能取决于多种因素,但也受到对特定GPCR信号传导特性的已有知识的影响。激动剂与GPCR结合后会诱导构象变化,催化异源三聚体G蛋白α亚基上的鸟苷二磷酸(GDP)与鸟苷三磷酸(GTP)的交换。随后,Gα-GTP亚基从Gβγ亚基上解离,两个亚基均可启动进一步的信号通路。GTP分子水解后,Gα-GDP与Gβγ亚基重新结合,使G蛋白恢复至非活性构象5,6。根据Gα亚基的序列相似性,可将G蛋白分为不同类型(Gs、Gi、Gq、G12/13)7。通过Gα亚基的信号传导可引发多种典型反应,例如通过Gs增加或通过Gi减少环磷酸腺苷(cAMP)的生成,以及通过Gq引起细胞内Ca2+动员5,7。Gβγ亚基也能够激活细胞内效应通路。例如,在Gi偶联的GPCR被激活后,Gβγ可直接刺激磷脂酶C(PLC-β),产生三磷酸肌醇(IP3),从而触发细胞内储存库中Ca2+的释放7。受体激活后,GPCR会被GPCR激酶(GRKs)磷酸化,促进其与β-阻遏蛋白的相互作用。该过程终止G蛋白信号传导,并导致受体脱敏,最终发生内化。β-阻遏蛋白还能够形成多分子复合物,启动独立于G蛋白信号传导的其他信号通路8。
在趋化因子受体亚家族中,与Gi蛋白偶联的CXCR4是一种G蛋白偶联受体(GPCR),因其作为药物研发潜在靶点的重要前景而受到广泛关注。鉴于其在人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)病毒进入和感染过程中作为主要共受体的明确作用,靶向CXCR4的化合物最初被开发为抗HIV药物候选物9。近年来,越来越多的证据表明CXCR4在肿瘤发生及癌症转移中发挥重要作用,使其也成为肿瘤学领域一个经过充分验证的治疗靶点10。CXCR4在二十多种人类癌症中高表达,调控肿瘤细胞的存活、增殖和迁移,以及与肿瘤相关的血管生成10。此前已有多种化学类别的CXCR4拮抗剂被报道11,12,但目前仅小分子AMD3100被批准用于临床,作为治疗淋巴瘤和骨髓瘤患者时的干细胞动员剂13,14。目前正在进行多项临床试验,以评估其他多种CXCR4拮抗剂在不同人类疾病中的安全性和有效性,其中尤以肿瘤学为重点12。鉴于CXCR4拮抗剂具有广泛的潜在应用前景,寻找具有更优药代动力学特性、更高生物利用度或可能更少副作用的新型化合物仍十分必要。
本文描述了一种基于动力学荧光的细胞检测方法,主要用于筛选能够抑制 CXCR4 的化合物。该方法的荧光检测基于细胞内 Ca²⁺ 浓度在配体刺激后发生的瞬时升高。2+ 浓度在CXCR4受体被其内源性激动剂趋化因子配体CXCL12(旧称基质细胞衍生因子1α(SDF1-α))激活时发生变化,以及该CXCL12诱导的Ca2+ 特定化合物引起的反应。在本实验中,使用稳定表达人源CXCR4受体的U87人胶质母细胞瘤细胞。同时,这些细胞不表达内源性的CXCR7,CXCR7是一种相关的趋化因子受体,也能结合CXCL12。15,16,17CXCR7 之前还被证明能够与 CXCR4 形成异源二聚体,从而调控后者的信号传导特性18细胞内钙离子水平的波动2+ 由CXCR4介导的反应通过加载CXCR4进行监测+ 用对细胞具有通透性的高亲和力荧光钙指示剂Fluo-2乙酰甲酯(AM)酯标记细胞2+-结合染料。Fluo-2 AM 是一种单波长荧光分子,可在 490 nm 处激发,其发射荧光在 520 nm 处检测。当 Ca²⁺ 浓度升高时,其发射荧光强度随之增强。2+ 结合,具有较大的钙动态范围2+结合态与非结合态。荧光信号的增加是瞬时的,发生在数分钟的时间范围内,随后逐渐衰减。荧光发射的峰值高度进一步与受体激活水平相关。该检测使用配备增强型CCD(ICCD)相机的荧光酶标仪进行,该相机具有集成的移液系统,可实现检测中移液步骤的标准化(参见 材料表)。此外,所使用的荧光读板仪能够同时测量微孔板中所有孔的荧光信号,这是其另一项关键优势。在实验的第一阶段,待研究的化合物(例如,将一组固定浓度或梯度稀释的小分子化合物加入负载了Fluo-2 AM的CXCR4细胞中+ U87细胞随后进行约10分钟的孵育期,在此期间持续实时测量化合物的潜在激动作用。然后加入内源性激动剂(即,加入CXCL12以诱导由CXCR4介导的细胞内Ca水平 transient 升高2+在此部分实验中,可评估待测化合物的潜在拮抗活性。该实验总体流程的示意图如下所示: 图1.
尽管这种Ca2+ 迁移实验主要被用于鉴定并确定竞争性CXCR4拮抗剂的抑制效力(即,可阻止内源性激动剂结合并激活受体的化合物),它还可鉴定受体激动剂,以及通过结合变构位点而发挥功能的化合物即,这些位点在拓扑上不同于内源性激动剂占据的正构结合位点。后一类化合物的例子包括别构激动剂、正向别构调节剂(PAMs)和负向别构调节剂(NAMs)19,20. 而受体特异性拮抗剂以及负向别构调节剂(NAMs)将抑制CXCL12诱导的Ca2+ 反应,PAMs 将增强此反应(另见 讨论 部分)。尽管本文所述检测方法特异性靶向 CXCR4,但预计该方法经过极少优化后即可应用于其他 GPCR,至少适用于通过释放细胞内 Ca²⁺ 而介导信号传导的 GPCR。2+.
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注意:第1和第2部分所述的所有步骤均须在超净工作台内的无菌条件下进行。
1. U87.CD4.hCXCR4 细胞的维持
2. 细胞接种用于Ca2+ 迁移实验
3. 使用荧光 Ca2+ 敏感染料对细胞进行负载
4. 含趋化因子配体CXCL12或待测化合物的96孔聚丙烯板的制备
5. 荧光酶标仪上的实验方案设置
注意:本实验方案中使用的荧光微孔板读板仪见于材料表。
6. 运行荧光检测
7. 数据分析与质量
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CXCL12 刺激对细胞内 Ca²⁺ 水平的影响2+ U87.CD4.CXCR4 中的动员+ 以及U87.CD4细胞通过Ca进行评估2+ 迁移实验。而不是 20 µL 在方案的第一步移液操作中通常要加入的待测化合物图1),将检测缓冲液加入负载了fluo-2 AM的U87.CD4.CXCR4细胞中+ 测量板中的细胞。在第二次加样步骤中,向测量板中加入不同浓度的CXCL12(终浓度为0.2–102.4 nM)。荧光信号呈剂量依赖性增强,与Ca释放的剂量依赖性增加相关2+,已展示(图2A)。此处,阴性对照样品代表在两次加样中仅向检测板加入测定缓冲液的孔即,0 nM CXCL12),导致无反应(图 2A)。CXCL12 浓度越高,诱导产生的荧光水平也越高,但荧光信号随时间逐渐衰...
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Ca2+-本文所述的趋化实验此前已被证明是识别和表征靶向CXCR4受体拮抗剂的有效工具17然而,预计该方法可更广泛地应用于大量其他可触发胞质 Ca2+ 激活后释放,如相关趋化因子受体 CCR5 所示。尽管在 CCR5 的情况下可应用完全相同的实验条件,但本方案中的多个步骤(例如,铺板时的细胞数量、细胞加载荧光染料的条件等参数在将该检测方法应用于其他G蛋白偶联受体(GPCR)之前,均需重新优化,以获得理想的信噪比。此处另一个重要问题是选择合适的 体外 允许目标G蛋白偶联受体高水平表达并实现与Ca功能偶联的细胞宿主2+ 通路。对于CXCR4,选择人胶质母细胞瘤U87细胞的原因如下:(1)该细胞不表达内源性CXCR7(一种与CXCR4共用相同激动剂的相关趋化因子受体);(2)它们能够将CXCR4的激活与Ca2+信号通路,(3) 细胞负载Ca²⁺指示剂后获得的荧光响应具有良好的动态范围2+-敏感染料,以及(4)它们对检测板的良好黏附性,可在整个实验过程中...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此感谢 Eric Fonteyn 和 Geert Schoofs 提供出色的技术支持。本工作得到了鲁汶大学(KU Leuven,资助号:PF/10/018)、比利时弗拉芒科学基金会(Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek,FWO,资助号:G.485.08)以及杜尔梅尔基金会(Fondation Dormeur Vaduz)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Fluo-2 AM | Abcam | ab142775 | 荧光性 Ca²⁺ 敏感性染料 |
| Pluronic F-127 | Sigma | P2443-250G | 泊洛沙酸 |
| 明胶 | Sigma | G9391 | |
| AMD3100 | Sigma | A5602-5 mg | 特异性 CXCR4 拮抗剂 |
| 马拉维若 | AnorMed 慷慨赠予 | 抗逆转录病毒药物,CCR5 拮抗剂 | |
| 趋化因子配体 CXCL12 | PeproTech | 300-28A | |
| 趋化因子配体 CCL5 | PeproTech | 300-06 | |
| 胎牛血清(FBS) | Gibco (Life Technologies) | 10270-106 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A1933-25G | |
| 杜氏改良伊格尔培养基(DMEM) | Gibco (Life Technologies) | 41965-039 | |
| HBSS(10 倍浓度),含钙、含镁,不含酚红 | Gibco (Life Technologies) | 14065-049 | |
| HEPES(1 M) | Gibco (Life Technologies) | 15630-056 | |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.25%),含酚红 | Gibco (Life Technologies) | 25200-056 | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液(DPBS) | Gibco (Life Technologies) | 14190-094 | |
| Falcon 管,50 mL | Greiner Bio-One | 227 261 | |
| 组织培养瓶(T75) | Corning | 353024 | |
| 黑色 96 孔板,透明平底,带盖 | Costar/Fisher Scientific | 10530753 | 用于细胞接种的检测板(96 孔) |
| 聚丙烯(PP)板 | Thermo Scientific (VWR) | 732-2661 | 用于制备化合物板和趋化因子板的圆底板 |
| FLIPR Tetra 高通量细胞筛选系统 | Molecular Devices | 集成移液头和 ICCD 相机的荧光酶标仪 | |
| FLIPR Tetra LED 模块 470 - 495 nm | Molecular Devices | 0200-6128 | 用于激发荧光性 Ca²⁺ 敏感性染料的发光二极管 |
| FLIPR Tetra 发射滤光片 515 - 575 nm | Molecular Devices | 0200-6203 | 与荧光染料兼容的发射滤光片 |
| FLIPR Tetra 96 孔头 | Molecular Devices | 0310-4536 | 集成于荧光酶标仪内的 96 孔移液头 |
| ScreenWorks | Molecular Devices | 用于 FLIPR Tetra 数据分析与可视化的软件包 | |
| Vi-CELL | Beckman Coulter | 细胞活力分析仪 | |
| Corning CellBIND 96 孔平底透明黑色聚苯乙烯微孔板,带盖,无菌 | Corning | 3340 | 预包被的 96 孔检测板,可作为检测板手动包被的替代方案。 |
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