Celem tego protokołu jest ułatwienie badania receptorów NMDA (NMDAR) na większą skalę i umożliwienie badania modulacyjnych efektów małych cząsteczek i ich zastosowań terapeutycznych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Celem tego protokołu jest ułatwienie badania receptorów NMDA (NMDAR) na większą skalę i umożliwienie badania modulacyjnych efektów małych cząsteczek i ich zastosowań terapeutycznych.
Receptory N-metylo-D-asparaginianu (NMDA) (NMDAR) są klasyfikowane jako jonotropowe receptory glutaminianu i odgrywają kluczową rolę w uczeniu się i zapamiętywaniu. Nieprawidłowe działanie NMDAR, wyrażone jako nadmierna lub niedostateczna aktywność spowodowana mutacjami, zmienioną ekspresją, transportem lub lokalizacją, może przyczyniać się do wielu chorób, zwłaszcza w ośrodkowym układzie nerwowym. Dlatego zrozumienie biologii receptora, a także ułatwienie odkrywania związków i małych cząsteczek ma kluczowe znaczenie w trwających wysiłkach na rzecz zwalczania chorób neurologicznych. Obecne podejścia do badania receptora mają ograniczenia, w tym niską przepustowość, wysokie koszty i niemożność zbadania jego zdolności funkcjonalnych ze względu na konieczną obecność blokerów kanałów, aby zapobiec ekscytotoksyczności za pośrednictwem NMDAR. Ponadto istniejące systemy testowe są wrażliwe na stymulację tylko glutaminianem i nie mają wrażliwości na stymulację przez glicynę, drugi koligand NMDAR. Tutaj przedstawiamy pierwszy test na płytce o wysokiej przepustowości do badania receptora NMDA z wrażliwością na oba koligandy, glutaminian i D-serynę/glicynę. Takie podejście pozwala na badanie różnych składów podjednostek NMDAR i umożliwia badania funkcjonalne receptora w trybach wrażliwych na glicynę i/lub glutaminian. Dodatkowo metoda nie wymaga obecności inhibitorów podczas pomiarów. Za pomocą tego testu można wykryć działanie dodatnich i ujemnych modulatorów allosterycznych, a znana farmakologia NMDAR została odtworzona w naszym systemie. Technika ta pokonuje ograniczenia istniejących metod i jest opłacalna. Wierzymy, że ta nowatorska technika przyspieszy odkrycie terapii patologii zależnych od NMDAR.
Dzięki obecnym postępom w medycynie, oczekiwana długość życia znacznie wzrosła; jednak rozpowszechnienie chorób związanych z wiekiem również wzrosło. Choroby ośrodkowego układu nerwowego (OUN), takie jak schizofrenia, stwardnienie zanikowe boczne (ALS), choroba Alzheimera i choroba Parkinsona, między innymi, nie są wyjątkiem i przewiduje się, że ich liczba wzrośnie w ciągu następnej dekady1,2,3. Nieprawidłowe działanie jonotropowych receptorów glutaminianu znanych jako receptory N-metylo-D-asparaginianu (NMDAR) zostało powiązane między innymi z chorobą Alzheimera, schizofrenią, urazowym uszkodzeniem mózgu, udarem, cukrzycą i jaskrą, co uzasadnia potrzebę zbadania ich biologii w celu opracowania skutecznych, modyfikujących chorobę terapii4,5,6,7.
NMDARs składają się z czterech monomerów lub podjednostek4,8,9. Skład strukturalny NMDAR pokazuje zmienność rozwojową i regionalną w obrębie mózgu7,10. NMDAR są zaangażowane w plastyczność synaptyczną, funkcje poznawcze i generowanie rytmów oddychania i lokomocji11,12,13. Jako kanał bramkowany napięciem jest w dużej mierze nieprzewodzący przy spoczynkowym potencjale błonowym (-70 mV) i jest blokowany przez magnez, aby zapobiec dalszemu przenikaniu jonów. Kanał jest aktywowany przez wiązanie dwóch ligandów, glutaminianu i glicyny/D-seryny, oraz jednoczesną depolaryzację błony synaptycznej za pośrednictwem receptorów AMPA, innej podklasy jonotropowych receptorów glutaminianu. Depolaryzacja usuwa blokadę magnezu NMDAR, umożliwiając napływ kationów, w szczególności wapnia14,15,16. Mimo że aktywacja NMDAR jest niezbędna do przeżycia komórki, nadmierna aktywacja może prowadzić do śmierci komórki17,18,19 poprzez ekscytotoksyczność. To, w połączeniu ze złożonym charakterem receptora, sprawia, że trudno jest przeprowadzić badania niezbędne do opracowania skutecznych terapii.
Do badania NMDAR opracowano różne metody. Jednak każdy z nich ma towarzyszące zastrzeżenia. Na przykład jedną z szeroko stosowanych technik jest test oparty na fluorescencji, który mierzy zmiany wewnątrzkomórkowe wapnia za pośrednictwem NMDAR w stabilnej linii komórkowej pod kontrolą promotora indukowanego tetracykliną (Tet-On)20. Jednak w tym systemie supramaksymalne stężenia ligandów, które są potrzebne, oraz wymóg, aby inhibitory NMDAR były obecne podczas pomiaru, sprawiają, że prawie niemożliwe jest wykrycie aktywności konkurencyjnego antagonisty. W innych podobnych systemach ekspresja funkcjonalnego receptora powoduje toksyczność, wymagającą blokerów kanałów, takich jak ketamina21,22 w celu zachowania kultur komórkowych. Te blokery kanałów znajdują się w rdzeniu receptora i są trudne do wypłukania, zwłaszcza w formacie na płytce, więc zakłócają badania funkcjonalne receptora. Wreszcie, w pomiarach elektrofizjologicznych, takich jak zaciskanie łat, przepustowość jest ograniczona, a badania na dużą skalę są bardzo drogie23. Niezależnie od tego, powyższe systemy są niewrażliwe na stymulację glicyną; w związku z tym badanie zależnej od glicyny aktywności NMDAR staje się wyzwaniem.
Tutaj opisujemy nowatorskie podejście do badania NMDAR, które przezwycięża omawiane ograniczenia. Nasza technika wykorzystuje system ekspresji bakulowirusa do ekspresji receptora na poziomie funkcjonalnym z optymalnym stosunkiem podjednostek w ciągu zaledwie 16 godzin. Co więcej, zastosowanie bakulowirusa pozwala na proste i kombinatoryczne podejście, które zapewnia szeroką charakterystykę odrębnych rekombinowanych podtypów NMDAR. W przeciwieństwie do innych testów, ten protokół nie wymaga blokerów kanałów ze względu na zastosowanie słabych antagonistów. Największą zaletą metody jest to, że po wypłukaniu słabego antagonisty receptor jest wrażliwy na modulację poszczególnych miejsc wiązania glicyny i glutaminianu, a także na podwójną modulację miejsc wiązania ligandów glicyna/D-seryna i glutaminianu. Test podsumowuje znaną farmakologię receptora NMDAR oraz działanie jego znanych pozytywnych i negatywnych modulatorów. Wreszcie, opracowanie tego testu komórkowego in vitro przezwycięża toksyczność komórkową spowodowaną nadmiernym napływem wapnia i pozwala na badania funkcjonalne receptora w sposób wysokoprzepustowy, co może przyspieszyć odkrycia modulatorów NMDAR w stanach chorobowych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie komórek
UWAGA: Ten protokół, łącznie z generowaniem danych, wykorzystuje komórki HEK293 transdukowane bakulowirusem kodującym komórki NR1 i NR2A.
2. Pomiar aktywności receptora NMDA
3. Optymalizacja poziomów ekspresji NMDAR
4. Miareczkowanie ligandów
5. Testowanie związków
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przed badaniem efektów działania małych cząsteczek należy określić optymalne poziomy ekspresji NMDAR oraz optymalne stężenia ligandów. Zgodnie z opisem, komórki HEK293 wysiano w gęstości 10 0 komórek na dołek na płytce 384-dołkowej w obecności 5 µM CGP06067, a następnie poddano transdukcji za pomocą zmiennych ilości wirusów NR1 i NR2A. Po inkubacji przez noc zmierzono indukowany ligandem przepływ jonów wapnia (Rysunek 1). Wyniki tych eksperymentów wskazują na...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Powodzenie tego testu zależy w dużej mierze od stanu zdrowia użytych komórek HEK. Należy stosować komórki ulegające wzrostowi wykładniczemu i o niskiej liczbie pasażów. Test ten obejmuje wiele transferów i dodawania roztworów, więc zachowanie ostrożności zapewni większą dokładność jego wyników. Stężenia związków i wszystkich innych odczynników powinny być również sprawdzane krzyżowo w celu zminimalizowania błędów. Podczas zastępowania pożywki komórkowej buforem testowym do badania strumienia wapnia, płytkę należy delikat...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają konfliktu interesów i nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy chcieliby podziękować Biuru Programu Stypendialnego Post Baccalaureate oraz Instytutom Badań Biomedycznych Novartis za sfinansowanie tego badania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| HEK-293 | ATCC | CRL-1573 | |
| Ludzka linia komórkowa receptora NMDA (NR1 / NR2A) | ChanTest Corporation | CT6120 | |
| pFastBac Wektor podwójnej ekspresji | ThermoFisher Scientific | 10712-024 | |
| Corning 384-well Przezroczysta mikropłytka z płaskim dnem | Corning Life Sciences | 3844 | |
| FLIPR Zestaw do oznaczania wapnia 6-QF | molekularny Urządzenia | R8192 | |
| Glicyna | Sigma-Aldrich | G7126 | |
| Glutaminian | Sigma-Aldrich | 49621 | |
| D-seryna | Sigma-Aldrich | S4250 | |
| L701,324 | Tocris | 907 | |
| Bufor HEPES | Boston Bio Produkt | BB-103 | |
| Roztwór chlorku magnezu | Sigma-Aldrich | 63069 | |
| Chlorek wapnia | VWR | E506 | |
| HBSS | ThermoFisher Scientific | 14025-092 | |
| Probenecyd | ThermoFisher Scientific | P36400 | |
| DMEM/F-12, GlutaMAX media | ThermoFisher Scientific | 10565018 | |
| MDL105,519 | NIBR | Syntetyzowany we własnym zakresie | |
| NVP-AAM077 | NIBR | Syntetyzowany we własnym zakresie | |
| CGP070667 | NIBR | Syntetyzowany w domu |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.