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La neurotoxina botulínica A (BoNT/A), la toxina más potente conocida actualmente (LD50 ~1 ng/kg)1, es una potente neurotoxina producida por la bacteria Clostridium botulinum. Dentro de un huésped afectado, la BoNT/A interrumpe la neurotransmisión en la unión neuromuscular al unirse a las neuronas motoras, internalizarse en el citosol y, en última instancia, escindir las proteínas neuronales que son esenciales para la exocitosis de acetilcolina. Una vez dentro de una neurona, la NTBo/A puede persistir hasta varios meses2. La inhibición a largo plazo de la liberación de acetilcolina dificulta la contracción muscular normal y provoca parálisis flácida, que, en casos graves, puede provocar insuficiencia cardíaca y/o respiratoria. Debido a su extrema potencia, facilidad de producción y efectos a largo plazo dentro del huésped, los CDC han etiquetado a todos los serotipos de BoNT como agentes de bioterrorismo de alto riesgo.
El mecanismo de acción de la toxina implica numerosos pasos, incluyendo la unión a los receptores de la superficie neuronal, la absorción celular a través de la endocitosis mediada por receptores y la translocación al citosol de la neurona. La NTBo/A se compone de dos cadenas, una pesada y otra ligera, y ambas cadenas son necesarias para la toxicidad. La cadena pesada (HC) contiene dominios de unión y translocación, mientras que la cadena ligera (LC) es una metaloproteasa dependiente de zinc que se transloca desde el endosoma hasta el citoplasma. Una vez dentro del citosol, la metaloproteasa LC/A se localiza en la membrana citoplasmática interna y escinde la proteína huésped SNAP-25 unida a la membrana. SNAP-25 es un miembro de la familia de proteínas SNARE (Soluble N-Ethylmaleimide-Sensitive Factor Attachment Protein Receptor), que desempeña un papel crucial en la exocitosis de acetilcolina (revisado en la referencia3). La escisión LC/A de SNAP-25 afecta la función del complejo SNARE, que inhibe la liberación de neurotransmisores acetilcolina y perjudica la contracción muscular.
Actualmente, el tratamiento para el botulismo es limitado y a menudo incluye la administración de un anticuerpo neutralizante equino4; sin embargo, debido a que la toxina se internaliza rápidamente en las neuronas, el anticuerpo tiene una ventana de tiempo estrecha de administración. Por lo tanto, muchos investigadores creen que el BoNT/A LC puede ser un mejor objetivo terapéutico. Debido a que la LC es una metaloproteasa dependiente de zinc, un enfoque para inhibir la actividad de LC/A ha sido desarrollar compuestos que quelan el ion de zinc del sitio activo. Por ejemplo, los compuestos de hidroxamato quelan el zinc del sitio activo y tienen una excelente potencia in vitro (Ki del mejor inhibidor de molécula pequeña de BoNT/A LC hasta la fecha es de 77 nM)5. Sin embargo, muchas moléculas pequeñas no logran avanzar como terapéuticas debido a diversos problemas ex vivo o in vivo, como la escasa solubilidad acuosa, el metabolismo rápido y/o la alta citotoxicidad. Por lo tanto, se necesitan nuevos compuestos con propiedades farmacológicas y farmacocinéticas mejoradas. La identificación de compuestos de moléculas pequeñas a menudo implica un cribado de alto rendimiento (HTS) para identificar andamios nuevos. Los métodos iniciales para el cribado de la actividad de LC BoNT/A se basaron en la detección por HPLC de la escisión corta del sustrato peptídico, que requiere mucho tiempo y no es susceptible de aplicaciones HTS6-8. Posteriormente, Schmidt y sus colegas9 desarrollaron un ensayo de actividad de LC BoNT/A de alto rendimiento que utiliza un sustrato peptídico marcado con fluoresceína unido covalentemente a una placa de microtitulación. El BoNT/A LC escinde el sustrato y libera fluoresceína, que se puede cuantificar con un fluorómetro. El formato en placa de este ensayo permite cribar numerosos compuestos simultáneamente; Sin embargo, el ensayo requiere el marcaje de péptidos sintéticos con fluoresceína y el recubrimiento de las placas de ensayo con moléculas de sustrato derivatizadas, que son técnicas engorrosas. Schmidt et al. describieron posteriormente un método mucho más sencillo para detectar la actividad de la LC BoNT/A a bajas concentraciones, en el que se utilizaron una serie de sustratos fluorogénicos para monitorizar la actividad de la LC BoNT en tiempo real10. Las técnicas adicionales descritas en la literatura incluyen un ensayo basado en la transferencia de energía de despolarización después de la resonancia para detectar y cuantificar la actividad de BoNT en extractos crudos; este método se puede utilizar para aplicaciones de alto rendimiento10,11, aunque requiere equipos sofisticados para medir la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET) y las señales de polarización. Por último, se han presentado varios modelos basados en células para la intoxicación por NTBo (revisados en la referencia11) que permitirán a los investigadores estudiar las propiedades a menudo limitantes de los compuestos mencionados anteriormente, incluida la citotoxicidad, la permeabilidad celular y la estabilidad. Sin embargo, la mayoría de los ensayos basados en células existentes no son susceptibles de HTS y requieren mucho trabajo y tiempo.
Aquí, describimos un protocolo detallado para un método HTS que utiliza el sustrato LC BoNT/A BASADO EN FRET disponible comercialmente. El sustrato se basa en la secuencia de escisión SNAP-25 y es un péptido sintético de 13 meros que contiene un fluoróforo terminal y un extinguidor. La escisión BoNT/A separa el fluoróforo y el extintor, aboliendo el FRET y aumentando la fluorescencia medida, que se puede medir continuamente en un lector de placas de fluorómetro. El ensayo se utiliza de forma rutinaria en nuestro laboratorio, así como en otros, para identificar nuevas clases de inhibidores de la LC BoNT/A o para determinar la potencia relativa de los compuestos5,12-15 previamente identificados. Este ensayo es adecuado para HTS debido a su simplicidad, potencial de automatización, bajo costo de materiales y capacidad para cribar numerosos compuestos simultáneamente (ver referencia16; Caglič y otros, presentados; Bompiani et al., en preparación). Además de HTS, este ensayo se puede utilizar para comparar la potencia relativa de los compuestos mediante la determinación del valor IC50 (concentración necesaria para inhibir el 50% de la actividad de la LC BoNT/A) de un compuesto. El ensayo se puede realizar manualmente en un formato de 96 pocillos (sección de Cribado Manual del Texto del Protocolo) o puede automatizarse en un formato de 384 pocillos para HTS (sección de Operación Automatizada del Texto del Protocolo).