Technologia wyświetlania bakteriofagów (fagów), opracowana przez George'a Smitha w 1985 roku, jest potężnym, wysokowydajnym podejściem do identyfikacji ligandów peptydowych lub białkowych przeciwko celom lub receptorom z błony komórkowej, antygenom chorobowym, organellom komórkowym lub określonym narządom i tkankom w ciągu ostatnich dwóch dekad1,2. W tym przypadku losowe biblioteki polipeptydów lub przeciwciał jednołańcuchowych są wyświetlane na białkach płaszcza fagów (zwykle M13 lub T7), a specyficzne ligandy można zidentyfikować na podstawie płukania przeciwko unieruchomionym białkom w systemach biologicznych in vitro lub in vivo w iteracyjnym procesie selekcji. Następnie ligandy mogą być sprzężone z obrazowaniem lub środkami terapeutycznymi do diagnozowania i leczenia chorób3,4. Bardzo ważne jest dokładne wyliczenie fagów podczas wielu etapów biopanowania: (1) w celu ilościowego określenia fagów, które wiążą się z substratem i (2) w celu ilościowego określenia fagów, aby określić, czy następuje wzbogacenie w każdej rundzie selekcji (wzbogacenie fagów wskazuje na powinowactwo biopanowanych fagów do celu). Obecny złoty standard kwantyfikacji, dwuwarstwowy test płytki nazębnej, stawia przed nami wiele wyzwań; Jest to żmudne, kłopotliwe i potencjalnie niedokładne w przypadku dużej liczby próbek. Dlatego nasza grupa opracowała czułą, powtarzalną, dokładną i efektywną czasowo ilościową metodę reakcji łańcuchowej polimerazy (qPCR) do zliczania cząstek fagów M13 i T7 z biopanningu5.
qPCR jest atrakcyjną i wykonalną metodą dokładnego oznaczania fagów T7 i M13. Ponieważ każda pojedyncza cząstka faga może zawierać tylko jedną kopię genomowego DNA (dsDNA lub ssDNA), jeden genom faga jest równoważny jednej cząstce faga; Określając ilościowo liczbę genomów fagów, możliwe jest ilościowe określenie liczby fagów. Podczas qPCR fluorescencyjne barwniki reporterowe wiążą genomowe DNA faga niespecyficznie lub specyficznie poprzez startery specyficzne dla sekwencji podczas amplifikacji PCR, a sygnał fluorescencyjny wzrasta z każdą rundą amplifikacji. Gdy sygnał fluorescencji osiągnie próg, ta runda/cykl wzmocnienia jest zapisywany jako cykl progowy (Ct). Znane stężenia referencyjnego DNA fagowego są wykreślane w stosunku do ich wartości Ct w celu ustalenia krzywej standardowej. Korzystając z krzywej wzorcowej z wartościami Ct próbek DNA, można interpolować stężenia fagów.
Chociaż wiele strategii zostało już wcześniej opracowanych i szeroko stosowanych do ilościowego oznaczania fagów z biopanningu, każda z nich ma specyficzne wyzwania. Najpopularniejszą i najbardziej konwencjonalną metodą jest dwuwarstwowy test płytki nazębnej. Tutaj bakterie gospodarza są zakażone fagami przygotowanymi w seryjnych rozcieńczeniach, są powlekane na stałym podłożu agarowym i pokrywane agarem; Fagi są wyliczane za pomocą liczby utworzonych blaszek (tj. jednostek tworzących płytki nazębne lub PFU) na płytce agarowej. Test płytki nazębnej jest czuły, ale żmudny, czasochłonny i niedokładny, szczególnie w przypadku wielu próbek i o wysokich stężeniach5. Dodatkowo, testy immunoenzymatyczne (ELISA) zostały przystosowane do zliczania cząstek fagów M13 i T76,7,8. W tym przypadku fagi w różnych rozcieńczeniach są wiązane i wychwytywane na stałym podłożu (tj. Mikropłytce), badane za pomocą przeciwciał specyficznych dla fagów i wykrywane za pomocą reporterów (np. wrażliwych na enzymy substratów chromogennych, fluoroforów) w celu określenia liczby obecnych cząstek fagów. Odczyty (np. fluorescencja, absorbancja) próbek mogą być wykorzystane do ilościowego określenia nieznanych stężeń w stosunku do wzorców fagowych przy znanych stężeniach. Opracowano różne testy ELISA oparte na fagach, ale mają one potencjalne ograniczenia. Jedna grupa opracowała papierowy test ELISA kanapkowy z zakresem kwantyfikacji obejmującym siedem rzędów wielkości (10,2-10,9 pfu/ml); Jednak ta metoda wymagała wielu etapów powlekania przeciwciałami i trwała do całego dnia w teście8. Nasza grupa opracowała również metodę ELISA do ilościowego oznaczania cząstek faga M13, ale miała mniej czuły zakres wykrywania od 10,6 do 10,11 pfu/ml5. Opracowano przełączalne sondy fluorescencyjne lantanowców do oznaczania liczby M13, a dane ilościowe można uzyskać w ciągu 20 minut; jednak ten test ma wąski zakres dynamiki od 109 do10 12 pfu/mL9. Jedna grupa użyła mikroskopii sił atomowych do zliczenia cząstek faga M13 w roztworze, ale wymagało to zaawansowanej mikroskopii elektronowej i działało tylko w wąskim zakresie stężeń10. W innym badaniu wykorzystano emulsje monodyspersyjne do wychwytywania fluorescencyjnych fagów reporterowych M13 i T4 oraz liczenia fagów według liczby kropelek fluorescencyjnych; jednak podejście to wykazało również wąski zakres kwantyfikacji od 102 do 106 pfu/mL11. Podczas gdy kropelkowy cyfrowy PCR został wykorzystany do ilościowego oznaczania fagów M13, podejście to nie jest w stanie rozróżnić liczby zakaźnych i niezakaźnych cząstek fagów12.
Nasza grupa niedawno opracowała metody qPCR do zliczania fagów T7 i M13 zidentyfikowanych podczas biopanowania na modelu komórkowym bariery krew-mózg przy użyciu dwóch różnych fluorescencyjnych barwników reporterowych5. W porównaniu z wyżej wymienionymi metodami kwantyfikacji, opracowane przez nas metody qPCR charakteryzowały się wysoką przepustowością i efektywną czasowo oznaczalnością wielu próbek oraz były w stanie odróżnić fagi zakaźne od niezakaźnych za pomocą wstępnej obróbki próbek fagów za pomocą DNazy I. Co ważne, podejście to pozwala na powtarzalne i dokładne ilościowe określenie bakteriofagów M13 i T7 na podstawie próbek biopanujących. Aby poprowadzić początkujących badaczy w dziedzinie qPCR fagów, opisujemy szczegółową metodę qPCR do zliczania cząstek faga T7 z biblioteki ograniczonej cysteiną (CX7C) zestawionych z barierą śluzową mukowiscydozy in vitro. Dzięki tym pracom metoda qPCR może zostać rozszerzona o ilościowe oznaczanie cząstek fagów z innych rodzajów biopanowania i z innych źródeł, w tym wody, gleby i płynów ustrojowych.