Badanie żywych komórek w ich fizjologicznie istotnym kontekście jest kluczowe dla zrozumienia biologicznych funkcji celów komórkowych. Jednak testy badające interakcję między kanałami a regulatorowymi białkami cytoplazmatycznymi, takie jak testy koimmunoprecypitacji, na ogół dostarczają niewiele informacji na temat przebiegu interakcji w żywych komórkach w czasie. Większość obecnych testów komórkowych mierzy określone zdarzenie komórkowe, takie jak translokacja fluorescencyjnie znakowanego białka będącego przedmiotem zainteresowania. Testy te wymagają modyfikacji interesujących białek, które mogą potencjalnie zmienić zachowanie białka i zmniejszyć fizjologiczne znaczenie celu. Nieinwazyjne testy komórkowe, które nie wymagają manipulacji systemem, zapewniają ciągły pomiar aktywności komórkowej i umożliwiają badanie komórek w ich najbardziej fizjologicznie istotnym stanie4.
Optyczne biosensory są zaprojektowane tak, aby wytwarzać mierzalną zmianę w charakterystyce światła, które jest sprzężone z powierzchnią czujnika. Biosensory optyczne, które wykorzystują fale ulotne, w tym techniki rezonansu plazmonów powierzchniowych (SPR) i siatek rezonansowych długości fal (RWG), są wykorzystywane przede wszystkim do wykrywania powinowactwa i kinetyki cząsteczek wiążących się z ich receptorami biologicznymi unieruchomionymi na powierzchni czujnika. Niedawno opracowano dostępne na rynku biosensory RWG, które umożliwiają wykrywanie względnej zmiany masy w dolnej części komórek przylegających do powierzchni czujnika w wysokiej rozdzielczości przestrzennej (do 3,75 μm/piksel)5. Te bioczujniki mogą wykrywać zmiany masy w pobliżu błony plazmatycznej żywych komórek, które wynikają ze stymulacji, takie jak adhezja i rozprzestrzenianie się komórek, toksyczność, proliferacja i szlaki sygnałowe wywoływane przez różne receptory na powierzchni komórki, w tym receptory sprzężone z białkiem G (GPCR)6. Biosensory RWG wykrywają względną zmianę współczynnika załamania światła w funkcji względnej zmiany masy w promieniu 150 nm od biosensora7. Gdy komórki są siane do bioczujnika, ta zmiana współczynnika załamania odzwierciedla zmianę masy w pobliżu błony plazmatycznej komórki wynikającą ze zmiany przylegania komórek do bioczujnika. W protokole tym omówione zostanie wykrywanie interakcji kanał-białko za pomocą biosensorów RWG.
Systemy akwizycji danych RWG składają się z kilku komponentów. Ponieważ do tych eksperymentów użyto skanera X-BODY Biosciences BIND Scanner, będziemy odnosić się do komponentów tego konkretnego systemu, który składa się z czytnika płytek, powiązanych bioczujników, oprogramowania do akwizycji BIND Scan i oprogramowania analitycznego BIND View8. Biosensory kryształów fotonicznych, zwane dalej biosensorami optycznymi, składają się z okresowego układu dielektryka i materiału w 2 lub 3 wymiarach, co zapobiega propagacji światła przy określonych długościach fal i kierunkach. Fotoniczne struktury krystaliczne opierają się na zjawisku zwanym anomalią Wooda. Anomalie te, odkryte po raz pierwszy przez Wooda w 1902 roku, są efektami obserwowanymi w widmie światła odbitego przez optyczne siatki dyfrakcyjne, gdzie gwałtowne zmiany intensywności poszczególnych rzędów dyfrakcyjnych występują w pewnych wąskich pasmach częstotliwości. W 1962 roku Hessel i Oliner przedstawili nową teorię anomalii Wooda, w której siatka o skończonym okresie generuje stały rezonans o długościfali 9. W opisywanych tutaj biosensorach optycznych anomalie Wooda są wykorzystywane do wytworzenia biosensora RWG, który po stymulacji białym światłem odbija tylko bardzo wąskie pasmo długości fal (zwykle w zakresie 850-855 nm).
Indywidualne biosensory składają się z tworzywa sztucznego o niskim współczynniku załamania światła o okresowej strukturze powierzchni, które jest pokryte cienką warstwą wysokorefrakcjjnego materiału dielektrycznego dwutlenku tytanu (TiO2). Gdy bioczujnik jest oświetlony źródłem światła o szerokiej długości fali, siatka optyczna kryształów fotonicznych odbija wąski zakres długości fal światła, który jest mierzony przez spektrofotometr w skanerze BIND. Szczytowa intensywność odbitych długości fal (szczytowa wartość długości fali lub PWV) jest następnie obliczana na podstawie sygnału. PWV światła przesuwa się po zmianie współczynnika załamania w wyniku wzrostu lub spadku masy w pobliżu (~150 nm) powierzchni biosensora. Biosensory optyczne są włączone do standardowej 384-dołkowej mikropłytki Towarzystwa Nauk Biomolekularnych (SBS) do testów stosowanych w tych eksperymentach.
Biosensory RWV są używane do wykrywania zmian po dodaniu sygnałów egzogennych w żywych komórkach10. Komórki są hodowane bezpośrednio na powierzchni biosensora RWG, a zmiana lokalnego wskaźnika refrakcji jest monitorowana po leczeniu określonymi bodźcami. Można określić kierunek zmiany masy na biosensorze, ponieważ wzrost lokalnego współczynnika załamania wynika ze wzrostu masy w pobliżu biosensora i jest mierzony jako wzrost PWV. I odwrotnie, spadek masy powoduje spadek PWV. Zmiana wykrytego PWV może wynikać z wielu zdarzeń komórkowych, w tym zmian w adhezji komórek, rekrutacji/uwalnianiu białek, endocytozie i recyklingu, egzocytozie, apoptozie i przegrupowaniu cytoszkieletu. Na przykład test może wykrywać zmiany w interakcjach kanał-białko między kanałami potasowymi a innymi składnikami cytoplazmatycznymi lub cytoszkieletowymi. Zdarzenie musi jednak wystąpić w strefie detekcji ~150 nm w pobliżu biosensora, a w przypadku przyłączonej komórki w pobliżu błony plazmatycznej. Akwizycja odpowiedzi komórkowych odbywa się za pomocą oprogramowania BIND Scan i generowana jest reprezentacja obrazu każdego z 384 dołków w płytce SBS. System ten ma rozdzielczość do 3,75 μm/piksel, co pozwala na wykrywanie zdarzeń w pojedynczych komórkach i może być stosowany zarówno z liniami komórkowymi (takimi jak komórki HEK293 lub CHO), jak i z bardziej fizjologicznie istotnymi komórkami pierwotnymi. Analiza obrazu za pomocą oprogramowania BIND View pozwala na wykrycie odpowiedzi komórkowych zarówno u pojedynczych, jak i w populacjach komórek. Ponieważ biosensory są wbudowane w standardowe mikropłytki SBS 384-dołkowe, system można łatwo dostosować do wysokoprzepustowych badań przesiewowych (HTS).
Biosensory optyczne z siatką rezonansową o długości fali były wcześniej używane do wykrywania zmian masy w pobliżu błony plazmatycznej komórek po aktywacji GPCR11. Nasze laboratorium sklonowało dwa kanały potasowe aktywowane sodem (KNa), Slack-B i Slick12. Wykazano, że na aktywność zarówno kanałów Slack-B, jak i Slick bardzo silny wpływ ma bezpośrednia aktywacja kinazy białkowej C (PKC)13. Aktywacja receptorów sprzężonych z białkiem Gαq, takich jak receptor muskarynowy M1 i metabotropowy receptor glutaminianu mGluR1, silnie reguluje aktywność kanału poprzez aktywację PKC. Te kanały KNa przyczyniają się do adaptacji neuronów podczas długotrwałej stymulacji i regulują dokładność czasu potencjałów czynnościowych14. Wiadomo, że luźne kanały oddziałują z różnymi cytoplazmatycznymi cząsteczkami sygnałowymi, w tym FMRP, białkiem upośledzenia umysłowegoFragile X 15,16. Mutacje w Slack powodują wielokrotne migrujące częściowe napady padaczkowe w okresie niemowlęcym (MMPSI), wczesną postać padaczki, która powoduje poważne opóźnienie rozwoju17.