已开发出一种改良的内皮细胞钙流测定实验方案,用于鉴定蛋白酶激活受体(PARs)的配体。新方案将总检测时间缩短了90至120分钟,并可获得可重复的浓度-反应曲线。
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已开发出一种改良的内皮细胞钙流测定实验方案,用于鉴定蛋白酶激活受体(PARs)的配体。新方案将总检测时间缩短了90至120分钟,并可获得可重复的浓度-反应曲线。
利用细胞内荧光钙结合染料以及可同时检测多达1536个孔荧光发射的成像仪器,可高通量地快速监测细胞内钙离子浓度的变化。然而,这些仪器成本高昂,且相较于广泛使用的、逐孔扫描的酶标仪,维护难度更高。本文介绍了一种优化的酶标仪检测方法,适用于内皮细胞系(EA.hy926),通过钙结合染料Fluo-4检测蛋白酶激活受体(PAR)介导的Gαq信号通路激活及其后续的钙动员过程。该方法已用于表征多种PAR配体,包括Dockendorff实验室发现的靶向PAR1的变构抗炎“parmodulin”配体。本方案无需使用自动化液体处理系统,可在96孔板中实现对PAR配体的中等通量筛选,且应可推广应用于其他引发钙动员的受体研究。
蛋白酶激活受体(PARs)1,2,3 是一类A类G蛋白偶联受体(GPCRs)的亚家族,表达于多种细胞类型,包括血小板和内皮细胞4,5,6,7与大多数G蛋白偶联受体(GPCRs)不同,蛋白酶激活受体(PARs)具有独特的分子内激活机制。大多数GPCRs由可溶性配体与特定的结合口袋相互作用而被激活,而PARs则通过其N端胞外域的蛋白水解切割被激活。 N-末端,从而形成一个新的锚定配体,该配体可与细胞表面的胞外环2结构域相互作用6,8,9这种相互作用会激活受体,并可启动多条信号通路,促进炎症和血小板活化等效应4,10,11,12不同的蛋白酶可通过在PARs上特异位点的切割来激活它们 N-末端,暴露出不同的拴系配体(TL),这些配体可稳定受体构象,从而启动不同的信号通路9,13,14,15例如,在该亚家族中研究最为深入的成员PAR1中,凝血酶对其的切割作用可支持多种生物学过程,包括血小板活化和白细胞向内皮的募集;但当该受体过度表达或过度激活时,则可能引发有害效应。4,16,17,18,19,20,21相反,活化蛋白C(aPC)的切割可促进抗炎效应并维持内皮屏障的完整性。15,22,23,24,25,26,27,28,29PARs 也可通过跨分子方式被 TLs 的肽类似物激活13,30,31这些肽段通常用于替代靶向PAR的蛋白酶,以检测PAR的抑制(调节)作用,本方案中亦采用这些肽段。
多种疾病与病理性PAR1信号传导相关,包括脓毒症22,32、心血管疾病33,34,35,36,37,38、肾脏疾病39,40,41,42、镰状细胞病43、纤维化44、骨质疏松症和骨关节炎45,46、神经退行性疾病47,48,49,50,51以及癌症52,53,54,55,56,57,58,59。自20世纪90年代以来,PAR1拮抗剂已被研究作为治疗心血管疾病的抗血小板药物,而与该受体相关的疾病谱不断扩展,迫切需要鉴定新型配体,用作生物学探针(工具化合物)或潜在治疗剂。目前,仅有一种经美国食品药品监督管理局(FDA)批准的PAR1拮抗剂——沃拉帕沙(vorapaxar),用于高危患者的冠状动脉疾病治疗34,36,37,60。另一种PAR1拮抗剂——肽类类似物PZ-128,已在心脏导管插入术患者中成功完成II期临床试验,用于预防血栓形成38。Dockendorff研究团队专注于一类独立的小分子药物化学与药理学研究,即被称为parmodulin的PAR1配体61,62。与已报道的PAR1拮抗剂(如沃拉帕沙)不同,parmodulin是PAR1的别构性、偏向性调节剂,可选择性阻断Gαq通路,同时促进类似于活化蛋白C(aPC)的细胞保护效应。与沃拉帕沙等强效正位PAR1拮抗剂不同,已发表的parmodulin还具有可逆性63,64,65。
最初,Flaumenhaft 及其同事鉴定出 parmodulins 抑制血小板中P-选择素表达或颗粒分泌的能力61,66然而,需要一种替代方法来研究parmodulins对内皮细胞的作用。一种常见的监测GPCR相关信号转导的方法是检测细胞内Ca2+ 动员,一种重要的第二信使,可通过合适的细胞内钙离子结合染料进行检测67,68大量证据表明,PAR1诱导的钙动员是通过激活G蛋白实现的αq69,70. 一旦被其锚定配体(或合适的外源性配体)激活,PAR1 会发生构象改变,导致与 G 蛋白结合的鸟苷二磷酸(GDP)αq 由三磷酸鸟苷(GTP)替换的亚基68. Gαq 亚基随后激活磷脂酶Cβ(PLC-β),后者催化磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)水解,生成1,4,5-肌醇三磷酸(IP3)和二酰甘油(DAG)。最后,IP3 与IP结合3-敏感的 Ca2+ 内质网膜上的通道,允许 Ca2+ 释放到细胞质中,在此与 Ca 结合2+依赖性荧光染料(如 Fluo-4),添加至细胞中71. 这一过程在数秒内发生,可提高 Ca 浓度2+ 100 倍,导致钙结合染料的量发生显著变化,并产生强烈的荧光信号。
2018年,Dockendorff课题组报道了一种中等通量的Ca2+ 可用于鉴定G蛋白偶联受体拮抗剂的迁移实验αq PAR1信号通路72所使用的检测方法 EA.hy92673一种杂交人源内皮细胞系,可用于多次传代而PAR1表达无明显变化,且已建立用于 体外 细胞保护作用的测定
原始方案使用96孔板中的EA.hy926细胞,并用Fluo-4/AM染料进行负载,该染料因其在488 nm处具有强烈的荧光信号以及高细胞通透性而被选用。染料进入细胞后,使用自动化的8通道液体处理仪进行了耗时较长的洗涤步骤(无法获得更快速的液体处理方法,例如96通道洗板机)。与未采用精细、自动化机器人换液的方法相比,该检测方法的可重复性更优。随后将拮抗剂与细胞孵育,通过依次加入选择性激动剂(每次处理16个孔)激活PAR1,通过检测钙离子动员及染料结合所引起的荧光变化来确定其活性。
尽管该实验方案可用于检测PAR1介导的钙动员,但其受限于每块96孔板检测所需的时间。实验时间过长不仅限制了每日可筛选的化合物数量,而且随着时间推移,染料会逐渐外排,导致基础荧光信号升高,从而缩小检测窗口。造成实验耗时较长的原因之一是使用8通道液体处理仪进行洗板,这使每次实验额外增加30分钟以上。此外,所需移液吸头也因供应链问题而难以获取。本文报道了一种更新的PAR介导钙动员检测方案,该方案无需使用液体处理仪,因而可实现更高通量的检测。本方案也适用于检测其他可引发细胞内钙动员的G蛋白偶联受体(GPCR)信号通路。 这种改进后的酶标仪检测方案 特别适合资源有限、无法配备昂贵细胞成像设备但需要快速筛选大量化合物的学术实验室和小型工业实验室。关于使用酶标成像仪进行钙动员检测的示例,可参见Caers等人的研究74。
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以下方案的步骤1和步骤2中进行的所有培养基更换/添加操作均须在无菌操作台内完成。除非另有说明,所有在无菌操作台内使用的塑料器皿必须购买时已灭菌并密封,或通过高压灭菌器适当灭菌。
1. EA.hy926 细胞系的启动
2. 将 EA.hy926 细胞接种至 96 孔板
注意:一个汇合的 T-75 培养瓶中的细胞可用于制备两到三个检测板,也可选择性扩增至多达 15 个新的 T-75 培养瓶。在正常工作日内,使用第 4 和第 5 部分的方案可筛选至少五个检测板。以下说明描述的是制备和测试一个检测板的操作步骤,若需制备更多检测板,可重复步骤 2.2、2.7、2.12 和 3.2 以完成所需数量的检测板制备。通常情况下,每天制备四个检测板,用于检测最多 16 种化合物的浓度-反应关系,这需要两个长满细胞的 T-75 培养瓶。
3. 钙流测定实验准备
4. 进行钙流测定实验
5. 数据分析
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该实验的主要目的是为三到四种新的parmodulin生成浓度-反应曲线(CRC)。在每块实验板上,通常还需同时生成一个已知化合物(如NRD-21)的CRC,作为实验质量控制,因其具有已知的IC50值。为生成CRC,应设计如表1所示的板图。若仅需单点浓度反应数据,则应将化合物以10 µM(或其他选定浓度)的终浓度加入至少三个孔中。
进行该检测时,酶标仪应显示荧光信号迅速上升(上升应始于前3-4次扫描内)(参见图2A中的示例输出,与图2B中的失败输出对比)。需要注意的是,激动剂必须在15秒内快速加入,以便酶标仪能够准确捕捉荧光信号的上升。在正常工作的实验中,空白对照孔的荧光信号应保持平稳,而阳性对照孔(空白 + 6.5 µM TFLLRN-NH2)的荧光信号应在三到四次扫描后开始上升。当达到最大值(约10次扫描后),荧光信号应开始缓慢下降。在高效拮抗剂的实验中,最高浓度拮抗剂孔的信号应保持相...
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尽管先前报道的方案72总体上可靠,并使我们能够鉴定出一种新的先导型parmodulin NRD-2162,但仍希望获得一种更高效的方案。在新冠疫情期间因物资短缺,该检测方法进一步受到限制。自动液体处理仪所用吸头的采购变得困难,而尝试对吸头进行清洗、灭菌并重复使用则导致CRC结果出现显著变异。这促使我们紧急开展了一系列实验,旨在优化并简化基于PAR的钙动员检测方法。
在本研究中,确定一种可用于洗涤步骤的自动化液体处理仪的有效替代方法是主要优先事项。在先前的检测方法开发过程中,使用机器人液体处理仪可减少因人工换液所导致的误差。然而,这会显著延长检测时间,因为使用8通道液体处理仪进行换液会使每块检测板的总耗时增加30至45分钟。尽管此前已尝试过一种称为" flicking"(弹甩)的人工换液方法,但这些实验并未在细胞接种前对检测板进行明胶包被处理。通过明胶预处理,可确保细胞在手动去除培养基时仍牢固附着于板上,不受操作力度影响。使用经明胶包被并采用弹甩法换液的检测板所生成的CRC...
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C.D. 是涉及parmodulin的专利发明人,并且是Function Therapeutics, Inc.的创始人和股东,该公司正在开发用于临床应用的parmodulin。
感谢Irene Hernandez、Trudy Holyst、Hartmut Weiler博士(Versiti血液研究所)和Leggy Arnold博士(威斯康星大学密尔沃基分校)为本项目提供实验空间和间接支持,感谢John McCorvy博士(威斯康星医学院)提供的相关建议。本研究获得了美国国家心肺血液研究所(R15HL127636)、美国国防部(W81XWH22101)和美国国家科学基金会(2223225)的基金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细胞培养试剂 | |||
| 贴壁生长的 EA.hy926 细胞 | ATCC | CRL-2922 | |
| CellStripper 细胞解离试剂 | Corning | 25-056-CI | 可选择性使用胰蛋白酶,但在 PAR2 检测中应避免使用。 |
| 含酚红的杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | Corning | 10-013-CV | |
| 胎牛血清(FBS) | Avantor | 97068-091 | |
| 猪皮来源明胶 | MilliporeSigma | G2500 | 使用去离子水配制 0.4%(w/v)的水溶液。使用前需高压灭菌。 |
| 青霉素-链霉素溶液(100X) | Corning | 30-002-CI | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Corning | 21-040-CV | |
| 台盼蓝(0.4% w/v) | Corning | 25-900-CI | |
| 钙离子动员试剂 | |||
| 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES) | Thermo | 172571000 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Avantor | 97061-420 | |
| 二水合氯化钙 | Thermo | 42352-0250 | |
| 二甲基亚砜 | Thermo | J66650-AD | |
| Fluo-4/AM | Invitrogen | F14201 | |
| 不含钙、镁和酚红的汉克平衡盐溶液(HBSS) | Corning | 21-022-CV | |
| 六水合氯化镁 | MilliporeSigma | M2393 | |
| Pluronic F-127(Poloxamer 407) | Spectrum Chemical | P1166 | |
| 丙磺舒 | TCI America | P1975 | |
| 氢氧化钠 | VWR International | BDH9292 | |
| TFLLRN-NH2(三氟乙酸盐) | 由 Versiti 血液研究所 Trudy Holyst 制备 | ||
| 材料 | |||
| 96 孔细胞培养处理、黑色侧壁、透明底板检测板 | Corning | 3603 | 带透明盖 |
| 15 mL 离心管 | Avantor | 89039-664 | |
| 50 mL 离心管 | Avantor | 89039-656 | |
| 细胞培养瓶,T-75 | Corning | 353136 | 经组织培养处理 |
| 一次性试剂储液槽,50 mL | Corning | RES-V-50-S | |
| Enspire 酶标仪 | Perkin Elmer | 已停产 | |
| 微量离心管,1.5 mL | Avantor | 20170-038 | |
| 巴斯德吸管,9" | Fisher | 13-678-6B | 必须灭菌 |
| PCR 管条,带独立平盖条 | Avantor | 76318-802 | |
| 移液器吸头,20 µL | Biotix | 63300042 | 无菌、滤芯吸头 |
| 移液器吸头,200 µL | Biotix | 63300044 | 无菌、滤芯吸头 |
| 移液器吸头,1250 µL | Biotix | 63300047 | 无菌、滤芯吸头 |
| Prism | GraphPad | 使用第 6 版 | |
| 血清移液管,5 mL | Tradewinds Direct | 07-5005 | |
| 血清移液管,10 mL | Tradewinds Direct | 07-5010 | |
| 血清移液管,25 mL | Tradewinds Direct | 07-5025 |
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