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A neurotoxina botulínica A (BoNT/A), a toxina mais potente atualmente conhecida (LD50 ~ 1 ng/kg)1, é uma neurotoxina potente produzida pela bactéria Clostridium botulinum. Dentro de um hospedeiro afetado, a BoNT / A interrompe a neurotransmissão na junção neuromuscular ligando-se aos neurônios motores, internalizando-se no citosol e, finalmente, clivando proteínas neuronais que são essenciais para a exocitose da acetilcolina. Uma vez dentro de um neurônio, o BoNT / A pode persistir por vários meses2. A inibição a longo prazo da liberação de acetilcolina dificulta a contração muscular normal e resulta em paralisia flácida, que, em casos graves, pode resultar em insuficiência cardíaca e/ou respiratória. Devido à sua extrema potência, facilidade de produção e efeitos de longo prazo no hospedeiro, o CDC rotulou todos os sorotipos BoNT como agentes de bioterrorismo de alto risco.
O mecanismo de ação da toxina envolve várias etapas, incluindo a ligação aos receptores de superfície neuronal, captação celular via endocitose mediada por receptor e translocação para o citosol do neurônio. BoNT / A é composto por duas cadeias, uma cadeia pesada e uma leve, e ambas as cadeias são necessárias para toxicidade. A cadeia pesada (HC) contém domínios de ligação e translocação, enquanto a cadeia leve (LC) é uma metaloprotease dependente de zinco que se transloca do endossomo para o citoplasma. Uma vez dentro do citosol, a metaloprotease LC/A localiza-se na membrana citoplasmática interna e cliva a proteína hospedeira ligada à membrana SNAP-25. O SNAP-25 é um membro da família de proteínas SNARE (Soluble N-Ethylmaleimida-Sensitive Factor Attachment Protein Receptor), que desempenha um papel crucial na exocitose da acetilcolina (revisado na referência3). A clivagem LC/A do SNAP-25 prejudica a função do complexo SNARE, que inibe a liberação do neurotransmissor acetilcolina e prejudica a contração muscular.
Atualmente, o tratamento para o botulismo é limitado e geralmente inclui a administração de um anticorpo neutralizante equino4; no entanto, como a toxina é rapidamente internalizada nos neurônios, o anticorpo tem uma janela de tempo estreita de administração. Assim, muitos pesquisadores acreditam que o BoNT/A LC pode ser um alvo terapêutico melhor. Como o LC é uma metaloproto dependente de zinco, uma abordagem para inibir a atividade de LC / A tem sido desenvolver compostos que quelam o íon zinco do sítio ativo. Por exemplo, os compostos de hidroxamato quelam o zinco do sítio ativo e têm excelente potência in vitro (Ki do melhor inibidor de moléculas pequenas BoNT / A LC até o momento é de 77 nM) 5. No entanto, muitas moléculas pequenas não avançam como terapêuticas devido a vários problemas ex vivo ou in vivo, incluindo baixa solubilidade aquosa, metabolismo rápido e/ou alta citotoxicidade. Portanto, novos compostos com propriedades farmacológicas e farmacocinéticas aprimoradas são necessários. A identificação de compostos de moléculas pequenas geralmente envolve triagem de alto rendimento (HTS) para identificar novos andaimes. Os métodos iniciais para triagem da atividade de BoNT / A LC foram baseados na detecção por HPLC de clivagem de substrato de peptídeo curto, que é demorada e não passível de aplicações HTS6-8. Posteriormente, Schmidt e colegas9 desenvolveram um ensaio de atividade de BoNT / A LC de alto rendimento que utiliza um substrato peptídico marcado com fluoresceína covalentemente ligado a uma placa de microtitulação. O BoNT/A LC cliva o substrato e libera fluoresceína, que pode ser quantificada com um fluorômetro. O formato de placa deste ensaio permite que vários compostos sejam peneirados simultaneamente; no entanto, o ensaio requer a marcação de peptídeos sintéticos com fluoresceína e o revestimento das placas de ensaio com moléculas de substrato derivatizadas, que são técnicas complicadas. Um método muito mais simples para detectar a atividade de BoNT / A LC em baixas concentrações foi posteriormente descrito por Schmidt et al., onde uma série de substratos fluorogênicos foram utilizados para monitorar a atividade de BoNT LC em tempo real10. Técnicas adicionais descritas na literatura incluem um ensaio baseado em transferência de energia de ressonância após ressonância para detectar e quantificar a atividade de BoNT em extratos brutos; este método pode ser usado para aplicações de alto rendimento10,11, embora exija equipamentos sofisticados para medir a transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET) e sinais de polarização. Finalmente, vários modelos baseados em células para intoxicação por BoNT foram relatados (revisados na referência11) que permitirão aos pesquisadores estudar as propriedades muitas vezes limitantes dos compostos mencionados anteriormente, incluindo citotoxicidade, permeabilidade celular e estabilidade. No entanto, a maioria dos ensaios baseados em células existentes não são passíveis de HTS e exigem muito trabalho e tempo.
Aqui, descrevemos um protocolo detalhado para um método HTS que utiliza o substrato BoNT/A LC baseado em FRET disponível comercialmente. O substrato é baseado na sequência de clivagem SNAP-25 e é um peptídeo sintético de 13 meros que contém um fluoróforo terminal e um atenuador. A clivagem BoNT / A separa o fluoróforo e o atenuador, abolindo o FRET e aumentando a fluorescência medida, que pode ser medida continuamente em um leitor de placas de fluorômetro. O ensaio é usado rotineiramente em nosso e em outros laboratórios para identificar novas classes de inibidores de BoNT/A LC ou para determinar a potência relativa de compostos previamente identificados5,12-15. Este ensaio é adequado para HTS devido à sua simplicidade, potencial de automação, baixo custo de materiais e capacidade de peneirar vários compostos simultaneamente (ver referência16; Caglič et al., apresentado; Bompiani et al., em preparação). Além do HTS, este ensaio pode ser usado para comparar a potência relativa dos compostos, determinando o valor IC50 (concentração necessária para inibir 50% da atividade de BoNT/A LC) de um composto. O ensaio pode ser realizado manualmente em um formato de 96 poços (seção de triagem manual do texto do protocolo) ou pode ser automatizado em um formato de 384 poços para HTS (seção de operação automatizada do texto do protocolo).