在抗癌适配体开发过程中,一个必要的步骤是检测其与靶标的结合能力。我们展示了一种基于流式细胞术的检测方法来研究这种结合,并强调了实验中必须包含阴性对照适配体,以及对该特定蛋白呈阳性或阴性的癌细胞的重要性。
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在抗癌适配体开发过程中,一个必要的步骤是检测其与靶标的结合能力。我们展示了一种基于流式细胞术的检测方法来研究这种结合,并强调了实验中必须包含阴性对照适配体,以及对该特定蛋白呈阳性或阴性的癌细胞的重要性。
开发抗癌适配体(aptamer)的一个关键挑战是高效确定所开发适配体对靶标蛋白的选择性和特异性。由于适配体相较于单克隆抗体具有多项优势,其开发在癌症研究人员中已获得极大关注。配体的指数富集系统进化(SELEX)是开发针对目标蛋白的特异性适配体最常用的方法。在完成SELEX之后,快速且高效的结合实验可加速识别过程,确认适配体的选择性和特异性。
本文介绍了一种基于流式细胞术的适配体与上皮细胞黏附分子(EpCAM)特异性结合的逐步检测方法。跨膜糖蛋白EpCAM在大多数癌瘤中高表达,在肿瘤的发生、发展和转移过程中发挥重要作用,因此是靶向药物递送至肿瘤的潜在理想靶点。为了评估该适配体对膜结合型EpCAM的选择性和特异性,需要使用EpCAM阳性与阴性细胞。此外,还需一种与EpCAM结合适配体长度相似且二维(2D)结构相近但无结合能力的非结合型EpCAM适配体作为对照。该结合实验包括多种缓冲液(封闭缓冲液、洗涤缓冲液、孵育缓冲液和FACS缓冲液)以及一系列孵育步骤。
将适配体与细胞系共同孵育。经过孵育和洗涤步骤后,将使用灵敏的流式细胞术检测来评估细胞。结果分析显示,EpCAM特异性适配体结合EpCAM阳性细胞,而不结合EpCAM阴性细胞。在EpCAM阳性细胞中,与非结合性适配体对照相比,EpCAM适配体的结合表现为向右的峰位移动;而在EpCAM阴性细胞中,EpCAM结合性与非结合性适配体的相应峰位重叠。这证明了EpCAM适配体的选择性和特异性。尽管本实验方案主要针对EpCAM适配体,但该方案同样适用于其他已发表的适配体。
癌症仍然是全球主要的死亡原因之一1。尽管近几十年来癌症治疗取得了显著进展,抗癌药物的研发仍是一个备受争议的话题。这是因为化疗作为癌症治疗的主要手段,常伴随严重的副作用,限制了患者对治疗的依从性。此外,化疗诱导的肿瘤耐药性也限制了其作为唯一医疗干预手段的应用。单克隆抗体(mAbs)的应用提高了癌症治疗的应答效果2。使用mAbs的初衷是提高化疗药物的疗效并最小化其不良反应。然而,mAbs的使用也面临挑战,不仅因其可能引发免疫反应,还由于其依赖动物生产、成本高昂以及储存条件苛刻3。20世纪90年代适配体(aptamers)的引入为癌症治疗带来了新的希望,因为适配体的应用有望解决与mAbs相关的一系列难题4。
适配体是一类为特定靶标专门设计的短链核酸序列。配体的系统性指数富集(SELEX)是适配体开发中常用的方法。在SELEX过程中,将目标蛋白与含有随机核苷酸序列的文库共同孵育,通过一系列迭代循环,筛选出针对该蛋白的特异性适配体。适配体在靶标选择性和特异性方面与单克隆抗体(mAbs)相似,因此在药物研发领域展现出广阔的应用前景。针对癌症生物标志物的适配体可作为单一药物或癌症诊断工具使用5,6,7。由于其纳米级结构,这些适配体还可作为药物载体,将细胞毒性药物特异性地递送至肿瘤组织8,从而提高靶向给药的疗效,并减少化疗相关的脱靶不良反应。此外,这类纳米药物具有较高的组织穿透能力,使其成为深部肿瘤药物递送与治疗的理想候选。适配体还可被设计用于靶向血脑屏障(BBB)上表达的转运蛋白,以改善向脑部肿瘤的药物递送9。其中一类典型代表是双功能适配体,其可靶向转铁蛋白受体(TfR)10,促进药物穿越血脑屏障,并将细胞毒性药物有效载荷递送至肿瘤细胞11。
尽管适配体具有诸多优势,但该领域的药物开发尚未成功推出上市的抗癌药物。其中一个原因可能是缺乏全球研究人员可遵循的标准且可重复的方法。本文展示了一种适配体与细胞表面表达的天然蛋白结合的逐步操作方案。该方案是抗癌适配体临床前评估的先决步骤。本实验用于验证从SELEX筛选获得或已发表的适配体序列在纯化后是否具备选择性和特异性。该基于流式细胞术的检测方法快速、可靠且灵敏,能够准确显示适配体的选择性和特异性,其中适配体被用于检测细胞表面的蛋白质12,13,14。本文以针对EpCAM的特异性适配体结合为例,演示了该方法15。EpCAM作为一种跨膜糖蛋白,在肿瘤细胞信号传导、进展、迁移和转移过程中发挥重要作用16,17。为验证该适配体的选择性和特异性,实验中使用了EpCAM阳性与阴性的癌细胞。此前开发的EpCAM特异性适配体TEPP(5′-GC GCG GTAC CGC GC TA ACG GA GGTTGCG TCC GT-3′)和阴性对照适配体TENN(5′-GC GCG TGCA CGC GC TA ACG GA TTCCTTT TCC GT-3′)分别作为结合与非结合EpCAM的适配体10。TEPP和TENN的3'端均标记了TYE665荧光染料。
TEPP 是一种双功能适配体,其一端靶向 EpCAM,另一端靶向 TfR。这使得 TEPP 成为向 EpCAM+ 脑肿瘤递送药物的合适候选分子。TEPP 通过其靶向 TfR 的一端穿越血脑屏障,再通过靶向 EpCAM 的一端识别肿瘤,并将所携带的货物(例如细胞毒性药物)递送至肿瘤组织。TENN 与 TEPP 具有相似的长度和二维结构,但对 EpCAM 或 TfR 均无结合亲和力,因此可作为合适的阴性对照适配体。本文展示了利用 TEPP 和 TENN 通过流式细胞术检测适配体与靶蛋白结合能力的方法。该实验方案适用于细胞特异性适配体的开发,也适用于对文献中已报道的适配体序列进行进一步的补充和验证分析。对于适配体研究领域的新手,若计划在研发(R&D)工作中使用已发表的适配体,本方案同样具有参考价值。本文研究了文献中报道的两个适配体序列。
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注意:实验开始前,请穿戴个人防护装备,包括实验服、手套和护目镜。有关本实验方案中所用材料、试剂、设备和软件的详细信息,请参见材料表。
1. 实验所需缓冲液
| 成分 | 所需体积 | ||
| 项目 | 浓度 | ||
| SELEX 缓冲液 | MgCl2 | 5 mM | 每样本 50 µL + 10% 移液误差 |
| 封闭缓冲液 | MgCl2 | 5 mM | 每细胞系 500 µL |
| BSA a | 1 mg/mL | ||
| tRNA b | 0.1 mg/mL | ||
| FBS c | 10% (v/v) | ||
| 洗涤缓冲液 | MgCl2 | 5 mM | 第一次洗涤 1 mL + 每测试样本 100 µL + 10% 移液误差 |
| 结合缓冲液 | MgCl2 | 5 mM | 每样本 50 µL + 10% 移液误差 |
| BSA | 2 mg/mL | ||
| tRNA | 0.2 mg/mL | ||
| FBS | 20% (v/v) | ||
表1:结合实验所需的缓冲液。aBovine Serum Albumin,bTransfer Ribonucleic Acid,cFetal Bovine Serum。
2. 适配体的制备
注意:本实验中使用的适配体带有荧光报告分子,因此应避免光照以防止降解。

图1:适配体制备步骤示意图。 1储备液1在-20 °C下长期保存。2工作浓度用SELEX缓冲液配制,不保存。请点击此处查看此图的放大版本。
3. 癌细胞的培养与维持
注意:在研究开始之前,需确保细胞处于早期传代次数,具有典型的形态学特征,且无支原体污染。为了检测适配体的选择性和特异性,理想情况下需要使用目标蛋白高表达、中等表达以及低表达或不表达的细胞系。
4. 结合实验
注意:图2 总结了在贴壁细胞中进行结合实验所需的步骤。
(2)
图 2:适配体-蛋白质结合实验操作步骤示意图。 缩写:SELEX = 指数富集配体系统进化;BB = 封闭缓冲液;WB = 洗涤缓冲液;BiB = 结合缓冲液。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:展示进行适配体结合实验所需的不同类型细胞和适配体的示意图。缩写:EpCAM = 上皮细胞黏附分子。本图使用 Biorender.com 制作。请点击此处查看此图的放大版本。
5. 流式细胞术与数据分析
注意:在开启流式细胞仪之前,确保关机溶液、清洗溶液和鞘液(0.9% NaCl)的膜过滤器单元中无“气泡”。如果滤膜单元中有气泡,需将气泡排出。确保废液容器为空,并且鞘液、水以及超纯水中含1%次氯酸钠的容器均已加满。
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新药发现与开发的一个重要方面是确保候选药物的选择性和特异性。这意味着候选药物应能够区分不同类型的细胞,并仅影响目标细胞群体(选择性)。通过使用在目标蛋白表达方面存在差异的细胞系来研究选择性。本研究中,选择 MDA-MB-231 和 HEK 293T 细胞系作为 EpCAM 阳性和阴性细胞。特异性是另一个关键指标,表明目标蛋白仅对单一候选药物产生响应。在此,通过使用不结合 EpCAM 的适配体 TENN 作为对照,结果显示只有 TEPP 能够与 EpCAM 结合。在 EpCAM 阳性细胞(MDA-MB-231)中,叠加代表 TEPP 和 TENN 处理细胞的直方图可见,TEPP 处理组的细胞峰向右偏移,而 TENN 处理组则无此现象。这表明适配体 TEPP 与目标蛋白 EpCAM 发生了结合(图 4D)。在阴性对照 HEK 293T 细胞中,TEPP 与 TENN 处理组的直方图叠加后未观察到任何偏移(图 4E)。这说明在表达 EpCAM 的细胞中,TEPP 作为 EpCAM 适配体与其受体特异性结合,而在不表达 EpC...
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开发新适体(aptamer)面临的主要挑战在于缺乏适用于该过程各个步骤的标准化指南。McKeague 等人最近揭示了其中一些相关难题,这些问题导致在发表文献中数据呈现不清晰,并难以重复相关研究。他们提出了在表征适体时必须考虑的基本指南19。适体结合实验是筛选和/或表征适体的关键步骤23,该方法被该领域研究人员广泛使用。由于目前尚无单一指南用于展示逐步操作流程,本视频方案中演示了一种常用于研究适体-蛋白质结合的流式细胞术方法。
有多种方法可用于检测适配体与其靶标之间的相互作用,流式细胞术便是其中之一。其他方法包括荧光偏振、表面等离子共振、毛细管电泳和等温滴定 calorimetry24。选择合适的方法取决于适配体的具体应用。然而,需要注意的是,每种方法都有其局限性,联合使用多种检测手段更有利于小分子适配体的表征24。本文所述方法具有多项优势,是目前最可靠、精确且准确的方法之一,同时兼具快速和成本...
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作者声明无利益冲突。
作者感谢精神与身体健康及临床转化研究所(IMPACT)的SEED基金资助, "阿尔弗雷德·迪金博士后研究奖学金" 迪肯大学的项目,以及 "澳大利亚政府研究培训计划奖学金".
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带盖的1.5 mL 微量离心管 | Sigma-Aldrich | T6649 | |
| 15 mL CellStar 蓝色螺旋盖锥底管 | Greiner Bio One | 188271 | |
| 5 mL 血清移液管 | Greiner Bio One | 606180 | |
| BD FACSCanto II 流式细胞仪 | Becton Dickinson | N/A | |
| BD FACSDiva V9.0 | BD Biosciences | N/A | |
| 牛血清白蛋白(BSA),冻干粉末 | Sigma-AldrichTM | A7906-50G | |
| 亮线血细胞计数板 | Sigma-Aldrich | Z359629 | |
| Dulbecco’s 改良 Eagle 培养基(DMEM)高糖培养基粉末 | Life Technologies | 12100046 | |
| Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液(DPBS) | Life Technologies | 21300025 | |
| FlowJo, LLC 10.8.1 | BD Biosciences | N/A | |
| 胎牛血清(FBS) | Bovogen | SFBS-F | |
| HEK293T | American Type Culture Collection | ACS-4500 | |
| Heracell 150i CO2 培养箱 | Thermo Fisher Scientific | N/A | |
| Heraeus Megafuge 16R 离心机 | Thermo Fisher Scientific | N/A | |
| 氯化镁(MgCl2) | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| MDA-MB-231 | American Type Culture Collection | CRM-HTB-26 | |
| 微孔板,聚苯乙烯,96 孔,F 型底(烟囱孔),黑色 | Greiner Bio One | 655076 | |
| MiniAmp 热循环仪 | Thermo Fisher Scientific | A37834 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS)片剂 | Life Technologies | 18912014 | |
| 无热原且无 RNase 的超纯水 | Milli-Q | ||
| T75 细胞培养瓶 | Cellstar | 658170 | |
| TENN | Integrated DNA Technologies | N/A | 5′-GC GCG TGCA CGC GC TA ACG GA TTCCTTT TCC GT-3 |
| TEPP | Integrated DNA Technologies | N/A | 5′-GC GCG GTAC CGC GC TA ACG GA GGTTGCG TCC GT-3′ |
| 转移 RNA(tRNA) | Sigma-Aldrich | R8508-5X1ML | |
| 台盼蓝溶液 | Life Technologies | 15250061 | |
| 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 15400054 |
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