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Zunächst wird die Signalverteilung für jedes Lektin gezeigt, um die Eigenschaften des Lektinbead-Arrays zu verstehen. Es wurde eine Bibliothek mit lektinfixierten Kügelchen (je 1.000 Kügelchen) erstellt. Fünfzehn Perlen wurden zufällig aus den 1.000 ausgewählt und zu einer einzigen Spitze hinzugefügt. Ein typisches Diagramm ist am unteren Rand von Abbildung 1A dargestellt und stellt fast die gleiche Signalintensität dar, die bei den 15 Kügelchen beobachtet wurde, die das gleiche Lektin immobilisieren. Dieses Messverfahren kann angewendet werden, um die Herstellung von handgefertigten Lektinkügelchen vor dem Einsatz von Glykanprofilen zu qualifizieren. So werden beispielsweise sechs Spitzen für die gleichzeitige Messung verwendet, um den Variationskoeffizienten (CV) aus den Signalen auf den 90 Kügelchen zu berechnen. Ein typisches Beispiel ist in Tabelle 1 dargestellt. Als die Lektin-fixierte Kügelchenbibliothek um 28 verschiedene Lektine erweitert wurde, zeigten 25 von 28 Lektinen eine hohe Reproduzierbarkeit mit einem CV von weniger als 10 %.
Als nächstes werden die Daten für ein Lektinbead-Array mit 15 verschiedenen Lektinen gezeigt. Die in Tabelle 2 gezeigten 15 Lektine wurden für das Lektinbead-Array ausgewählt. Zusätzlich wurden 12 in Tabelle 3 aufgeführte Polyacrylamid (PAA)-Mono/Di/Trisaccharide gemessen. Nach der Beurteilung der Messzuverlässigkeit anhand einer Dotcoding-Anzeige auf dem Bildschirm wurden die Rohdaten aus dem automatisierten Reaktionsmessgerät exportiert (siehe Protokollschritt 4.11) und in Excel ein Diagramm mit den Reaktionsspitzenwerten an jedem Saccharid erstellt (Abbildung 4A). Diese Werte wurden dann für die Hauptkomponentenanalyse verwendet, um die Korrelation zwischen den ausgewählten 15 Lektinen und den umgesetzten Sacchariden zu visualisieren (Abbildung 4B,C). Dies führte zu einem deutlichen Unterschied im Bindungsmuster jedes Lektins im Vergleich zu den 12 PAA-Zuckern, die in Abbildung 4A gezeigt sind. Hier wird gezeigt, dass sich die Validität jedes Signals auf integrierte vorherige Listen von Lektin- und Saccharidspezifitätenbezieht 7,8 (siehe auch diese Spezifitäten in Tabelle 2). Da AAL an terminale α-Fuc, Sia-Lex und Lex bindet, bestätigte die automatische Glykananalyse die Erkennung von Fucose-haltigen Molekülen durch AAL (Abbildung 4A). SSA und MAL (siehe Tabelle 2 für die vollständigen Namen der Lektine und die angegebenen Abkürzungen) erkannten Siaα2-6Gal/GalNAc bzw. Siaα2-3Gal. MAL im Bead-Array kann auch an 3'-O-Sulfo-Galβ3GalNAc und LacNAc binden. Dies steht im Einklang mit früheren Ergebnissen, die mit maschinellem Lernenanalysiert wurden 7, in denen MAL das 3'-O-Sulfo-Gal dominiert, während LacNAc nicht dominant ist9. RCA120, ein Gal-erkennendes Lektin, reagierte stark mit terminalem β-Gal, einschließlich Lac/LacNAc, und durfte an Siaα2-6Lac, aber nicht an Siaα2-3Lac binden. ECA hatte eine viel höhere Reaktivität mit LacNAc als mit Lac. WFA wies eine breitere Spezifität auf, die nicht nur α/β-GalNAc, sondern auch terminale β-Gal erkannte, wie berichtetwurde 7,10. GSL II, das GlcNAc und ein galaktosyliertes tri/tetra-Antennen-N-Glykane erkennt, bindete an keine Saccharide mit Ausnahme eines einzigen GlcNAc unter den präparierten Analyten. GRFT, das hohe N-Glykane vom Mannose-Typ erkennt, reagierte mit α-Man. ABA, Jacalin und MAH wurden im Allgemeinen zum Nachweis von O-Glykanen verwendet. Da ABA die Galβ1-3GalNAcα-Thr/Ser (T)- und Sialyl-T-Strukturen bevorzugt, reagierte ABA im Bead-Array stark mit 3'-O-Sulfo-Galβ1-3GalNAc und war schwach an α-GalNAc gebunden. ABA erkannte auch β-GlcNAc, was mit den früheren Berichten über die Bindung an agalactosylierte N-Glykane übereinstimmt 7. Jacalin hat eine relativ breitere Spezifität und reagierte daher mit α-Mannose, β-GalNAc, βGal, α-GalNAc, 3'-O-sulfo-Galβ1-3GalNAc. MAH erkannte spezifisch 3'-O-Sulfat-Galβ1,3GalNAc, wie zuvor berichtet7. Die restlichen vier Lektine, NPA, LCA, PHA-L und PHA-E, erkannten die innere Struktur von N-Glykan, das nicht in den hergestellten PAA-Sacchariden enthalten war, und wiesen daher keine Affinität zu allen Analyten auf.
Anhand der erhaltenen Daten kann die Ähnlichkeit der Lektine, die zur Bindung an jedes Saccharid beitragen, geklärt werden, indem sie in einem Hauptkomponentenanalysediagramm dargestellt werden (Abbildung 4B). Alle Saccharide, die zur Varianz in Abbildung 4B beitrugen, wurden durch Eigenvektor dargestellt, eine Methode der statistischen Analyse, bei der das Beitragsverhältnis durch einen Vektor dargestellt wird (Abbildung 4C). Bemerkenswert ist hierbei, dass die umgesetzten Saccharide unverzerrt zu jedem Lektin beitragen. Lektine zeigen keine Spezifität für nur eine Art von Saccharid. Zum Beispiel wird das Vorhandensein von Glykanen vom Komplextyp beim Menschen durch die teilweise Erkennung einiger Glykane innerhalb von Glykanen vom Komplextyp bestimmt. Jacalin, das O-Glykane erkennt (siehe die Spezifitäten in Tabelle 2), kann die 3'suTF-Struktur und α-GalNAc unter den in dieser Studie verwendeten Sacchariden erkennen, und daher wurden die 3'suTF und α-GalNAc gegen die Positionsrichtung von Jacalin (brauner Punkt) aufgetragen, die in Abbildung 4B dargestellt ist. WFA kann α/β-GalNAc unter den in dieser Studie verwendeten Sacchariden erkennen; Daher wurde α/β-GalNAc in Abbildung 4C in der gleichen Richtung wie der in Abbildung 4B dargestellte WFA dargestellt. Im Gegensatz dazu wird α-GalNAc zwischen WFA und Jacalin aufgetragen, da es sich um eine Saccharidstruktur handelt, an die Jacalin leicht binden kann. Alle 11 Saccharide, die in dieser Studie dargestellt wurden, stimmen mit der Spezifität (Saccharidbindung) der zuvor berichteten Lektine überein 7,8, was darauf hindeutet, dass die vorgeschlagene Methode eine zuverlässige Messmethode ist. Darüber hinaus sind die Eigenvektoren, die jedem Saccharid entsprechen, dispergiert, was dafür spricht, dass die 15 Lektine mit minimaler Verzerrung ausgewählt wurden, um eine umfassende Abdeckung in der Analyse zu gewährleisten. Folglich wurde die mit diesen 15 Lektinen aufgefüllte Spitze als Standard-GlycoBIST-Spitze definiert (Tabelle 2).
Im praktischeren Beispiel wurden gereinigte Proteinprodukte der Spitzenmessung unterzogen (Abbildung 5). Rinderthyreoglobulin, das eine N-Glykosylierungsstelle aufweist und komplexe, hybride und hohe Mannose-N-Glykane 11 enthält, wurde analysiert. Die Standardspitze zeigte eine erhöhte Reaktivität bestimmter Lektine gegenüber den Sacchariden8 (siehe die Besonderheiten in Tabelle 2): PHA-E, das die Teilung von GlcNAc erkennt; GRFT, Erkennung von N-Glykanen vom Mannose-Typ; SSA, Anerkennung von Siaα2-6Gal/GalNAc; RCA120, erkennt Laktose und LacNAc; und AAL, das Fucose erkennt. Diese Glykanstrukturen sind in komplexen, hybriden und N-Glykanen vom hohen Mannosetyp vorhanden, was darauf hindeutet, dass die N-Glykanstruktur von Thyreoglobulin11 effektiv bewertet werden könnte. Darüber hinaus zeigte Thyreoglobulin, das mit Sialidase A, einem Enzym, das Sialinsäure verdaut, behandelt wurde, eine verminderte Reaktivität mit SSA, das Sialinsäure erkennt, und eine erhöhte Reaktivität mit RCA120, WFA und ECA, die nach der Entfernung von Sialinsäuren leichter erkannt werden. Das Vorhandensein von O-Glykanstrukturen in Rinderthyreoglobulin wurde bisher nicht berichtet. Erwartungsgemäß wurde O-Glykan in Thyreoglobulin mit oder ohne Sialidase-Behandlung in der automatischen Glykananalyse nicht erkannt.
Ein Reproduzierbarkeitstest innerhalb des Laufs mit den 15 ausgewählten Lektinen wird gezeigt, um die Robustheit der Messung zu verstehen (Tabelle 4). Für diesen Test wurden sieben Standardspitzen für Analyten und eine zusätzliche Spitze für die Negativkontrolle vorbereitet, wobei alle acht Spitzen gleichzeitig gemessen wurden. Dieser Vorgang wurde an einem einzigen Tag dreimal wiederholt. "Mix Analytes", eine Kombination von Analyten, die dazu führte, signifikante Signale auf allen Lektinen zu erhalten, wurden für die Qualitätskontrolle des Beads-Arrays vorbereitet. Die Mix-Analyten wurden durch geeignete Mischung von Sialidase-verdautem Erythropoietin (EPO), Sialidase- und Galactosidase-verdautem EPO, humanem IgA, Matrix-Metalloproteinase 3 (MMP3) und Thyreoglobulin formuliert. Jedes Glykoprotein (200 ng) wurde mit 10 μg Biotinylierungsreagenz in PBS markiert, das Triton X-100 enthielt. Falls erforderlich, wurden Sialidase- und Galactosidase-Behandlungen wie in der Anleitung beschrieben durchgeführt. Nach der Verdauung wurden die Produkte in einem Hitzeblock bei 75 °C für 10 min inkubiert, um das Enzym zu inaktivieren. Die entsprechenden Mengen an biotinylierten Glykoproteinen (3 ng EPO, 8 ng humanes IgA, 5 ng MMP3 und 15 ng Thyreoglobulin) wurden unmittelbar vor der Analyse gemischt. Die Messergebnisse zeigten, dass der maximale CV-Wert 13,5 % und der durchschnittliche CV für die 15 Lektine 8,2 % betrug, was eine hohe Reproduzierbarkeit zeigt.
Darüber hinaus wird gezeigt, dass ein täglicher Reproduzierbarkeitstest die Schwankungen aufgrund des Messdatums versteht (Tabelle 5). Standardspitzen und Mix-Analyten wurden im Voraus vorbereitet, und die Messungen von sieben Spitzen wurden täglich an fünf aufeinanderfolgenden Tagen wiederholt. Die Ergebnisse zeigten, dass die meisten Lektine einen CV von weniger als 10% aufwiesen. Einige Lektine, wie z. B. LCA und ECA, wiesen jedoch höhere CVs auf. Die durchschnittliche CV der 15 Lektine pro Zyklus betrug bis zu 7,7% und die durchschnittlichen CV-Werte über 5 Tage lagen bei weniger als 10%, was auf eine hohe Reproduzierbarkeit hindeutet. Es wurde festgestellt, dass Jacalin aufgrund der Selbstverdauung von MMP3 im Mix-Analyten eine geringe zeitliche Reproduzierbarkeit zeigte. Daher sollte ein geeigneterer Analyt gefunden werden, um MMP3 zu ersetzen.
Um die Stabilität von Lektin-fixierten Kügelchen zu verstehen, wird ein Langzeitstabilitätstest mit diesen getrockneten lektinfixierten Kügelchen gezeigt (Tabelle 6). Standardspitzen, Assay-Reagenzien und Mischanalyten wurden im Voraus vorbereitet, und die Messungen wurden nach 12-monatiger Lagerung durchgeführt. Die oben genannten fünf Arten von biotinylierten Analyten wurden einzeln gelagert und vor der Messung gemischt. Die Ergebnisse zeigten, dass der durchschnittliche CV für die 15 Lektine weniger als 10% betrug, selbst bis zu 12 Monate nach der Trockenlagerung. Dies deutet auf die Machbarkeit schneller und präziser Messungen hin, indem mehrere Spitzen (bis zu 1.000) aus derselben Charge gleichzeitig gelagert werden.

Abbildung 1: Schemata des "Bead-Arrays in einer einzigen Spitze"-Instrument und Analysemethode. (A) Schema des automatischen Glykan-Profiling-Systems. Lektinfixierte Kügelchen können getrocknet und in Spitzen aufbewahrt werden. Wenn Spitzen und Kartuschen, die Reagenzien wie HRP-markierte Anti-Streptavidin-Antikörper (SA-HRP) enthalten, in das Messgerät (automatisiertes Reaktionsmessgerät) gesetzt und aktiviert werden, fungiert die Spitze als Autopipette. Der Chemilumineszenz-Detektionsscanner an der Rückseite des Instruments quantifiziert Signale von acht Spitzen gleichzeitig. Quantitative Daten werden als Punktcodes auf dem Touchscreen des Geräts angezeigt, um eine schnelle Bestätigung der Messergebnisse zu ermöglichen. Der untere Bereich zeigt die Ergebnisse der Messung von 90 Kügelchen mit dem gleichen Lektin. Die Messergebnisse werden vom Gerät transportiert und vom einzelnen Forscher grafisch dargestellt. (B) Schema der in diesem Versuch verwendeten Nachweismethode. Die Zielproteine werden präbiotinyliert und mit SA-HRP nachgewiesen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Bilder von Materialien und Aufbau für die automatische Glykanprofilierung mit dem automatisierten Reaktionsmessgerät. (A) Darstellung von Lektin-fixierenden Kügelchen, die in eine Spitze gepackt werden. Nehmen Sie die Kügelchen mit einer antistatischen Pinzette auf die Antistatikmatte und füllen Sie die Spitze mit den Perlen. (B) Kneifen Sie die Spitze mit einer Zange ein. Ein leichter oberer Teil der oberen Perle wird zusammengedrückt. (C) Eine Zange zum Crimpen der Spitzen. Der Kunststoff (gelber Kreis) wird eingeklemmt, um zu verhindern, dass sie vollständig abgeschnitten werden. (D) Anordnung der in der automatisierten Reaktionsmesseinrichtung verwendeten Materialien. A: Spitzen, B: Röhrchen mit Analyten und C: Kartuschen mit Flüssigkeit sollten eingesetzt werden. In der Abfallbox werden die reagierten Spitzen nach der Messung gesammelt. Die Box kann entnommen werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Touchscreen für die Maschinenmanipulation. (A) Das Selbstdiagnoseprogramm wird automatisch gestartet, wenn das Gerät eingeschaltet wird. (B) Auf dem HOME-Bildschirm werden "Assay", "Wartung" und "Verlauf" angezeigt. (C-G) Betrieb des "Assay"-Modus. Auswahl der Assay-Methode (C). Mehrere Protokolle können im Voraus registriert werden. Eingabe der Reihenfolge der Probe (Analyt) (D). Auswahl des Typs der Spitze (E). Bestätigung der Einstellungen der Assay-Methode (F) und Starten des Assays über den Bildschirm "Assay starten" (G). (H-N) Darstellung des Ergebnisses in "History". Anzeige des Lektin-Dotcodes (H) nach Abschluss des Assays oder im "Verlauf"-Modus. Auf dem Bildschirm wird für alle Proben (I) oder für jede Probe (J) ein Scan-Diagramm mit 15 Lektinen angezeigt. Das Scandiagramm wird als Balkendiagramm (K) angezeigt. Balkendiagramme für andere Fahrspuren können aus der Dropdown-Liste "Bahn" ausgewählt werden. Balkendiagramm, das acht Spuren von Proben pro Lektin (L) vergleicht. Andere Lektine können aus der Dropdown-Liste "Lektin" ausgewählt werden. Tabelle mit quantitativen Werten (M). Aufzeichnung des ausgeführten Messverfahrens (N). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Bewertung der Reaktivität mit PAA-Sacchariden im automatischen Glykan-Profiling-System. (A) Ein Diagramm, das die Reaktivität von Lektinen mit verschiedenen PAA-Sacchariden zeigt, wurde um negative Kontrollwerte bereinigt. (B) Analyse der Hauptkomponenten auf der Grundlage der Daten in (A). (C) Eigenvektoren aus der Analyse in (B). Für die Teile (B) und (C) wurde eine kompatible Analysesoftware verwendet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Nachweis der GlycoBIST-Reaktivität anhand von gereinigtem bovinem Thyreoglobulinprotein. Die Probenvorbereitung ohne Behandlung wurde unter den gleichen Aufschlussbedingungen wie der Puffer allein durchgeführt, ohne Zugabe von Sialidase A. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Tabelle 1: Wiederholbarkeitstest mit lektinfixierten Kügelchen. Die Wiederholbarkeit der Reaktivität für 28 Lektine wurde untersucht. Mit jeder Spitze wurden Analyten umgesetzt. EPO: Erythropoietin, PSA: Prostata-spezifisches Antigen, Tf: Transferrin, M2BP: Mac-2-Bindungsprotein, hIgG: humanes IgG, MMP3: Matrix-Metalloproteinase 3, (Sia+): Sialidase A-verdaute Analyten, (Sia+, Gal+): Sialidase A und Galactosidase-verdaute Analyten, Ab: Antikörper. DSA: Datura stramonium Agglutinin, HypninA2: Hypnea japonica Agglutinin, WGA: Weizenkeim-Agglutinin, UDA: Urtica dioica Agglutinin, BPL: Bauhinia purpurea Lektin, Orysata: Oryza sativa Lektin, LSL-N: Laetiporus sulphureus Lektin N-terminale Domäne, SNA: Sambucus nigra Lektin, BanLec: Bananenlektin, MPA: Maclura pomifera Agglutinin, TxLC-I: Tulipa gesneriana Agglutinin, AOL: Aspergillus oryzae Lektin, ACG: Agrocybe cylindracea Galectin. CV: Variationskoeffizient. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 2: Liste der Lektine, die die Standardspitze für die automatische Glykanprofilierung bilden. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 3: PAA-Saccharide, die als Standards für das automatische Glykan-Profiling-System verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 4: Ergebnisse des Reproduzierbarkeitstests innerhalb eines Laufs. CV: Variationskoeffizient. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 5: Ergebnisse des Reproduzierbarkeitstests zwischen den Tagen. CV: Variationskoeffizient. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 6: Ergebnisse des Langzeitstabilitätstests. CV: Variationskoeffizient. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.