Здесь приводится подробный метод, описывающий очистку, сворачивание и характеристику самосборки белковых наночастиц (SAPN) для использования в разработке вакцины.
Методическая статья
Здесь приводится подробный метод, описывающий очистку, сворачивание и характеристику самосборки белковых наночастиц (SAPN) для использования в разработке вакцины.
Самосборка белковых наночастиц (SAPN) функционирует как повторяющиеся антигенные дисплеи и может быть использована для разработки широкого спектра вакцин против различных инфекционных заболеваний. В этой статье мы демонстрируем метод получения ядра SAPN, содержащего сборку шестисугликсового пучка (SHB), способного представлять антигены в тримерной конформации. Мы описываем выражение SHB-SAPN в системе кишечной палочки, а также необходимые шаги очистки белка. Мы включили шаг мытья изопропанола для уменьшения остаточного бактериального липополисахарида. Как индикация тождественности протеина и чистоты, протеин промединировал с известными моноклональными антителами в западных анализах побелки. После повторного сворачивания размер частиц снизился в ожидаемом диапазоне (от 20 до 100 нм), что было подтверждено динамическим рассеянием света, анализом отслеживания наночастиц и электронной микроскопией передачи. Описанная здесь методология оптимизирована для SHB-SAPN, однако, с небольшими изменениями она может быть применена к другим конструкциям SAPN. Этот метод также легко переносимый для крупномасштабного производства для производства GMP для вакцин для человека.
В то время как традиционная разработка вакцин была сосредоточена на инактивированных или ослабленных патогенных микроорганизмов, фокус современных вакцин сместился в сторону субединых вакцин1. Такой подход может привести к более целенаправленным ответным мерам и потенциально более эффективным кандидатам на вакцину. Однако одним из основных недостатков является то, что субединые вакцины не являются твердыми частицами, как целые организмы, что может привести к снижению иммуногенности2. Наночастицы в качестве повторяющейся системы дисплея антигена могут иметь преимущества как целевого подхода к вакцине субунита, так и твердых частиц всего организма1,3.
Среди существующих типов нановакцин, рационально разработанные сборки белка позволяют для разработки и разработки вакцины кандидатов, которые могут представить несколько копий антигена потенциально в родной, как конформация1,4 ,5,6. Одним из примеров этих белковых сборок являются самосборка белковыхнаночастиц (SAPN) 7. SAPNs основаны на доменах сутышкой катушки и традиционно выражены в Escherichia coli8. SAPN вакцины кандидатов были разработаны для различных заболеваний, таких как малярия, ОРВИ, грипп, токсоплазмоз, и ВИЧ-19,10,11,12,13 , 14 Год , 15 лет , 16 Год , 17 Лет , 18 лет , 19. Конструкция каждого кандидата SAPN специфична для патогена, представляющих интерес, однако, производство, очистка и сворачивание методы, как правило, широко применимы.
Одной из наших текущих интересов является эффективная вакцина против ВИЧ-1. В RV144-единственном этапе III клинических испытаний вакцины против ВИЧ-1, которые продемонстрировали скромную эффективность-снижение риска инфекции коррелировалось с igG антитела к V1V2 петли белка конверт20,21. Родной, как тримерпрезентация этого региона считается важным для защитной иммуногенности22. Чтобы представить v1V2 цикл как можно ближе к родной, как конформация, как это возможно, мы разработали доказательство принципа SAPN вакцины кандидата, который содержал ВИЧ-1 конверт после слияния шести-сугнительная расслоение (SHB), чтобы представить V1V2 петли в правильной конформации9 . Этот кандидат был признан известными моноклональными антителами к белку конверта ВИЧ-1. Мыши, иммунизированные V1V2-SHB-SAPN, подняли V1V2 специфические антитела, которые, самое главное, привязанык gp70 V1V2, правильным конформационным эпитопам 9. Ядро SHB-SAPN может иметь другие функции, выходящие за рамки роли носителя цикла ВИЧ-1 V1V2. Здесь мы описываем подробную методологию выражения, очищения, складывания и проверки ядра SHB-SAPN. Выбор последовательности, дизайн наночастиц, молекулярное клонирование и трансформация кишечной палочки были ранее описаны9.
1. Выражение белка SHB-SAPN в E. coli BL21 (DE3)
2. Лисис E. coli BL21 (DE3) по звуку
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте непирогенную пластичную посуду и стеклянную посуду, запеченную при 250 градусах По цельсии в течение по крайней мере 30 мин. Tris (2-carboxyethyl) фосфин (TCEP) в качестве уменьшающий агента нарушает дисульфидные связи внутри и между белками. TCEP необходим в буферах во время этого протокола, если отображаемый антиген содержит s-S-облигации. Только для ядра SHB-SAPN присутствие TCEP в буферах не является существенным.
3. Очистка белка с помощью Его колонки
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол был выполнен с помощью инструмента FPLC, но он может быть адаптирован к гравитационному потоку.
4. Оценка чистоты и идентификация белка sDS-PAGE
5. Идентификация протеина западным пятном
6. Сворачивание SHB-SAPN
7. Проверка частиц по размеру и внешнему виду
8. Определение уровней эндотоксина в образцах с использованием кинетического лимуляа амебоцита лизата (LAL)
Полностью собранный SHB-SAPN, показанный здесь, построен на белковых последовательностях(рисунок 1A),которые, по прогнозам, сложить в частицу, которая содержит 60 копий мономера (рисунок1B). Рисунок 2 содержит наброски метода производства, очистки и идентификации ядра SHB-SAPN. E. coli из глицерола, который содержал вектор экспрессии pPep-T с генной последовательностью ядра SHB-SAPN, был индуцирован в BL21 (DE3) E. coli. Бактериальные клетки успешно выращивались и лисицировались под денатурированием и уменьшением условий.
Общий клеточный лисат был использован для очистки мономеров SHB-SAPN fPLC с помощью колонки Ni2 (рисунок 3A). Хроматограф FPLC показывает, что белок eluted как на 150 мМ и 500 мМ имидазол(рисунок 3A). Хроматограмма также показывает два других пика на 185 мл и 210 мл общий объем, соответствующий изопропанол мыть и имидазол амантиазол атакжем, соответственно. Фракции и чистота рекомбинантного белка были определены градиентными гелями SDS-PAGE(рисунок 3B). Белок, представляющий интерес, был в основном расположен в фракциях 68-u201279 (общий объем 278-2012300 мл). Эти фракции были объединены для дальнейшего анализа. Западная подательная яма с анти-Его антитела (N-терминал) и 167-D-IV антитела (C-терминус) показали, что объединенные фракции были действительно белок интереса(Рисунок 4A,B). Эти помарки также продемонстрировали наличие мультимер SHB-SAPN. Более предыдущие фракции смыва и elution клонили содержать более высокую концентрацию multimerized протеина и поэтому были исключены.
Образцы, содержащие интересующие белок мономеры, были сложены в полностью собранный SHB-SAPN путем диализа. Распределение размеров частиц было определено анализом DLS и наночастиц(рисунок 5A,B). DLS идентифицировала частицы с гидродинамическим диаметром 67 нм, в то время как система NTA измеряла средний размер 81 нм. Небольшие различия в размерах были обусловлены методами размеров частиц, однако размер обоих анализов находился вожидаемом диапазоне 20-х 2012100 нм 8,24,25. SHB-SAPNs были визуализированы TEM и изображения показали хорошо сформированные отдельные частицы с распределением размера, полученных от двух методов размеров частиц(рисунок 5C).
Во время очистки белка, колонка была промыта изопропанол, чтобы уменьшить загрязнение LPS в конечном SHB-SAPN продукта. Чтобы проверить, приемлем ли уровень эндотоксина для иммунизации, концентрация ЛПС в пробах SHB-SAPN, очищенных с помощью или без шага по мытью изопропанола, была определена кинетической проверкой LAL. Результаты показали, что изопропанол мыть снизили уровни эндотоксина от 0,25 EU/мкг до 0,010 EU/мкг белка SHB-SAPN (Таблица 1).

Рисунок 1: последовательность и структура белка SHB-SAPN. (A) Аминокислотная последовательность мономера SHB-SAPN. (B) Компьютерная модель структуры полностью собранного ядра SHB-SAPN, состоящая из 60 белковых мономеров. Цветовая схема для аминокислотных последовательностей: Серый и HisTag; Зеленый и пентамлер; Темно-синий - де Ново разработанный триммер; Светло-голубой и шестиселиток пучок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2: Flowchart протокол для производства SHB-SAPN. Цветовая схема: Черный - выражение белкового мономера в кишечной палочке; Темно-серое очищение мономеров; Среднесеровская идентификация мономеров; Светло-серый - переукрапывание и характеристика; Белый и полностью собранный продукт SHB-SAPN. В шагах, помеченных темным и средним серым цветом, белок находится под денатурированием и уменьшением условий. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 3: Очистка белка мономеров SHB-SAPN. (A) Хроматограф из очистки FPLC. Зеленая линия над хроматограммой указывает на шаги очищения. Голубая линия в хроматограмме представляет оптическую плотность фракций на длине волны 280 нм. Черная линия показывает, какой процент буфера B (8 M мочевины, 20 мм Трис, 50 мМ фосфат натрия монобасный, 5 мМ TCEP, 500 мМ Имидазол, рН 8.5), который был использован в каждом этапе очистки. (B) SDS-PAGE гели объединенных фракций из lysate (L), протекать через (FT), первая стирка (W1), изопропанол мыть (W2), третья стирка (W3), и отдельные фракции из 150 мМ имидазол (E150) и 500 мм имидазола (E500) elution шаги elution из 150 мМ имидазола (E150) и 500 мм имидазола (E500) elution Очистки. Молекулярные маркеры в первой полосе (M) идентифицируют полосы между 10 и 250 kDa. Целевой белок указывается черной стрелкой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4: Идентификация белка по западному побочке. Все полосы загружаются с 100 нг белка. (A) Результаты западного пятно с анти-6x HisTag. (B) Результаты западного пятно с 167-D-IV ВИЧ-1 моноклональных антител. Полосы помечены как: M и молекулярный маркер веса; 1 - лизат; 2 - Поток через; 3 - первая стирка; 4 - изопропанол мыть (вторая стирка); 5 - третья стирка; 6 - объединенные фракции объема 56'u201261 (первый пик elution), 7 фракций объема 62'u201267 (между двумя пиками), 8 - объединенные фракции объема 68'u201278 (второй пик elution). Целевой белок с ожидаемым размером полосы 18,07 кДа, как мономерная полоса SHB-SAPN указывается черной стрелкой. Дополнительные полосы в полосах 7 и 8 являются димеры, тримеры, и мультимеры SHB-SAPN (красная стрелка). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 5: Характеристика повторно сложенного SHB-SAPN. (A). Распределение размера частиц, как это определено DLS. (B) Размер частиц, определяемый отслеживанием наночастиц (система). (C) Визуализация частиц SHB-SAPN tEM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Образец | Эндотоксин (ЕС/мл) | Эндотоксин (ЕС/мкг белка) |
| SAPN с Изопропанол умывкой | 2.02 | 0.01 |
| SAPN без Исопропанола Уош | (gt;50); | 0,25 |
| Отрицательный контроль | Ниже уровня обнаружения | N/A |
Таблица 1: Уровни эндотоксинов повторно сложенных SHB-SAPNs. Уровни эндотоксинов в пробах SHB-SAPN, очищенных с помощью или без изопропанола, представлены как эндотоксинные единицы/мл, так и эндотоксинные единицы/мг белка SHB-SAPN.
Нанотехнология предоставляет множество преимуществ и решений для разработки субунитовой вакцины. Nanovaccines может повторно представить антигены в качестве частиц для иммунной системы хозяина повышения иммуногенности26. Хотя Есть много различных типов нановакцин, мы считаем, что те, состоящий из de novo разработан белка, как представляется, самый сильный подход для разработки вакцины1. Они могут быть разработаны без какой-либо последовательности гомологии для принимающих белков и представить антиген интереса в близко к родной, как конформация, обеспечивая при этом низкую себестоимость производства и высокие урожаи продукции. Ярким примером такого подхода является технология SAPN, которую мыприменили к вакцинам против множественных инфекционных заболеваний 7. Решая трудности в разработке вакцины против ВИЧ-1, мы разработали уникальное ядро SHB-SAPN, чтобы эффективнопредставить антиген V1V2 в местной тримерной конформации 9. Многие цели вакцины, особенно для вирусных заболеваний, присутствуют в качестве тримеров27. Это явление указывает на то, что наша конструкция SAPN имеет широкие последствия для разработки субединых вакцин.
В этом методе мы демонстрируем, как производить SHB-SAPNs в системе экспрессии кишечной палочки. Мы выразили высокие урожаи белка (около 6 мг/100 мл культуры). Белок содержал 10 гистидинов и легко очищался с помощью обездвиженного металлического сродства хроматографии с колонкой Ni2.com. Эта длина Его-Тега была признана оптимальной для самого высокого уровня урожайности белка. Очищенный белок содержал полную длину разработанного белка, о чем свидетельствует наличие как N-терминала HisTag, так и повторения гептада терминала С. Мы использовали общепринятые методы и оптимизировали их для выражения, производства и характеристики ядра SHB-SAPN. Отсутствие производства полноразмерного белка во время разработки SAPN, содержащего новый белковый эпитоп, может указывать на проблему экспрессии гена в клетке-хозяине. Если это произойдет, ген и система экспрессии должны быть переработаны и адаптированы к описанному протоколу. Изменение времени или интенсивности звукового времени может также увеличить концентрацию прогнозируемого полноформатного белка.
Сложенные частицы находились в ожидаемом диапазоне размеров (от 20 до 100 нм)8,24,25, как это определено анализом DLS и наночастиц. Эти результаты были дополнительно подтверждены с помощью TEM. Если есть проблемы в этом шаге, это, как правило, из-за проблемы с рН или иной силы складирования буфера. Когда крупные частицы размера обнаруживаются на методах размеров частиц, это указывает на агрегацию, которой можно избежать, увеличивая рН сворачивающего буфера. Если частицы не обнаружены DLS, проверьте концентрацию белка и проверьте рН буфера. Окончательная концентрация белка для DLS должна быть не менее 100 мкг/мл. Если концентрация не является проблемой, это указывает на обилие мелких, неполно сформированных частиц, концентрация которых может быть уменьшена за счет уменьшения рН. Кроме того, концентрация хлорида натрия может быть скорректирована с оптимальным диапазоном, чтобы свести к минимуму наличие частиц с нежелательным размером.
Наконец, с помощью изопропанола мыть шаг во время очистки мы смогли уменьшить загрязняющих LPS от хозяина кишечной палочки до 0,01 ЕС / мкг SAPN, который ниже пищевых продуктов и медикаментов (FDA) предел 5 ЕС / кг массы тела для инъекционных продуктов 28. Этот уровень можно еще больше снизить с помощью столбца обмена анионами, также известного как колонка q. Если высокие уровни эндотоксина все еще присутствуют, проверьте все материалы, которые были использованы для подготовки буфера. Не забудьте использовать только depyrogenated стеклянной посуды и эндотоксина бесплатно пластмассовые изделия в этом методе.
Эти результаты свидетельствуют о том, что мы успешно разработали метод производства ядра SHB-SAPN, который может быть использован для доклинических исследований иммунизации. Этот метод с небольшими изменениями, если таковые имеются, может быть применен к очищению SHB-SAPNs, когда антиген интереса добавляется. Использование этого метода в качестве отправной точки одним из основных изменений находится в шаге elution. Различные белки elute на различных концентрациях imidazole которые необходимо определить экспериментально. Другим важным отличием может быть состав буфера складывания. Оптимизация потребует тестирования различных условий рН, а также ионных сильных сторон.
При рассмотрении будущей работы, только два небольших изменения необходимы, чтобы позволить человеческому применению SHB-SAPN. Во-первых, вектор выражения должен быть изменен на канамицин сопротивление выбираемый маркер из-за аллергии ампициллин у людей29. Другим важным требованием производства белка для использования человеком является производство SHB-SAPN в носителях, свободных от продуктов животного происхождения. Небольшое исследование уже показало разумную урожайность белка в растительных носителях. Работа, представленная здесь легко масштабируемых для конечной производства GMP, как показано с кандидатом вакцины против малярии, FMP01416. Это крупномасштабное производство FMP014-SAPN включало как обмен анионов, так и шаги по обмену катионами для дальнейшего сокращения содержания LPS и Ni2'из конечного продукта. Это бактериальной выраженных SAPN уже масштабируется для предстоящего фаза 1/2a клинических испытаний.
Высказанные мнения являются мнениями авторов и не должны быть истолкованы как представляющие позиции армии США или Министерства обороны. Питер Буркхард имеет интерес к компании под названием Alpha-O Peptides AG и имеет патенты на технологию. Другие авторы не имеют никакого отношения или финансового участия в какой-либо компании с финансовыми интересами по этому вопросу, представленному в настоящем документе.
Эта работа была поддержана соглашением о сотрудничестве (W81XWH-11-2-0174) между Фондом Генри М Джексона по развитию военной медицины, Inc., и Министерством обороны США. Анти-ВИЧ-1 gp41 mAb 167-D IV антитела были получены от д-р Сьюзен Золла-Пазнер через NIH СПИД реагент программы.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 10x Трис/Глицин/SDS | BioRad | 1610732 | 1 л |
| 2-меркаптоэтанол | BioRad | 1610710 | 25 мл |
| 2-пропанол | Fisher | BP26181 | 4 л |
| 2x Laemmli Буфер для образцов | BioRad | 1610737 | 30 мл |
| 40 мкл Кювета Упаковка 100 мкм с пробками | Malvern Panalytical | ZEN0040 | 100 упаковок |
| 4– 20% сборные протеиновые гели Mini-PROTEAN TGX, 10-луночные, 30 и микро; l | BioRad | 4561093 | 10 упаковок |
| ампициллина | Fisher | BP1760-25 | 25 г |
| Anti-6X His tag антитела [HIS. H8] | AbCam | ab18184 | 100 мг |
| Anti-HIV-1 gp41 моноклональный (167-D IV) | Реагент СПИДа | Реагент 11681 | 100 мг |
| BCIP/NBT субстрат, раствор | Southern Biotech | 0302-01 | 100 мл |
| Corning Одноразовый вакуумный фильтр/накопительные системы | Fisher | 09-761-108 | Различные размеры |
| Формвар/Карбон 400 меш, Медь ок. Размер отверстия сетки: 42&мкр; m | Ted Pella, Inc | 01754-F | 25 pack |
| GE Healthcare 5 мл HisTrap HP Расфасованные колонки | GE HealthCare | 45-000-325 | 5 упаковок |
| глицерина | Fisher | BP229-4 | 4 л |
| козий антимышиный IgG H& L (щелочная фосфатаза) | ABCam | ab97020 | 1 мг |
| имидазола | Fisher | O3196-500 | 500 г |
| Быстрорастворимое обезжиренное сухое молоко | Quality Biological | A614-1003 | 10 упаковок |
| Kinetic-QCL Kinetic-Chormogenic LAL Assay | Lonza Walkersville | 50650U | 192 Test Kit |
| LAL Reagent Grade Multi-well Plates | Lonza Walkersville | 25-340 | 1 тарелка |
| Magic Media E. coli Expression Medium | ThermoFisher | K6803 | 1 л |
| MilliporeSigma Millex Стерильный шприц 0,22 мм Фильтры | Millipore | SLGV033RB | 250 упаковка |
| Мышь Anti-Human IgG Fc-AP | Southern Biotech | 9040-04 | 1,0 мл |
| One Shot BL21 Star (DE3) Химически компетентный E. coli | ThermoFisher | C601003 | 20 флаконов |
| Precision Plus Protein Unstained Protein Standards, рекомбинант с стрептококковой меткой, | BioRad 1610363 | 1 мл | |
| Slide-A-Lyzer Dialysis Кассеты, 10K MWCO, 12 мл | ThermoFisher | 66810 | 8 упаковок |
| Хлорид натрия | Fisher | BP358-212 | 2,5 кг |
| Одноосновной фосфат | Fisher | BP329-500 | 500 г |
| трис Base | Fisher | BP152-1 | 1 кг |
| трис-(2-карбоксиэтил)фосфина гидрохлорид | Biosynth International | C-1818 | 100 г |
| уранилацетат, реагент, услуги электронной | микоскопии | 541-09-3 | 25 г |
| мочевины | Fisher | BP169-500 | 2,5 кг |
| качественной фильтровальной бумаги | Ватман Sigma Aldrich | WHA10010155 | упаковке 500 |
| Название< | strong>Company | >Каталожный номер | Комментарии |
| Оборудование | |||
| программное обеспечение | |||
| Микропланшетный спектрофотометр Epoch 2 | Планшетный ридер | BioTek | EPOCH2 |
| Fiberlite F14-14 x 50cy Ротор с фиксированным углом наклона | ThermoFisher | 096-145075 | Ротор |
| Gel Doc EZ Gel Documentation System | BioRad | 1708270 | Gel Imager для Гели без пятен |
| JEOL TEM | JEOL | 1400 | Просвечивающий электронный микроскоп |
| Mini-PROTEAN Tetra Вертикальный электрофорез Ячейка для мини сборных гелей | BioRad | 1658004 | Для запуска гелей |
| NanoDrop Один микрообъемный УФ-Вид спектрофотометр | ThermoFisher | ND-ONE-W | Для концентрации белка |
| NanoSight NS300 | Malvern Panalytical Panalytical | Определение размеров | |
| NanoSight NTA программное обеспечение NTA | Malvern Panalytical Panalytical | Определение размера частиц | |
| New Brunswick Innova 44/44R | Eppendorf | M1282-0000 | Инкубатор/шейкер |
| NGC Quest 10 Система хроматографии | BioRad | 7880001 | FPLC для помощи в очистке белка |
| PELCO easiGlow Glow Discharge Система очистки | Ted Pella, INC | 91000S | Для очистки решеток |
| PowerPac Universal Power Supply | BioRad | 1645070 | Для запуска гелей |
| Rocker Shaker | Daigger | EF5536A | Для Western |
| Sonifer 450 | Branson | также известен как 096-145075 | Ультразвуковой аппарат |
| Thermo Scientific Sorvall LYNX 4000 Сверхскоростная центрифуга | ThermoFisher | 75-006-580 | Центрифуга |
| Trans-Blot Turbo Mini Nitrocellulose Transfer Pack | BioRad | 1704158 | для Western |
| Trans-Blot Turbo Transfer System | BioRad | 1704150 | для Western |
| Vortex-Genie 2 | Daigger | EF3030A | Vortex |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern Panalytical Particle | Sizing | |
| Программное обеспечение Zetasizer | Malvern Panalytical Particle | Sizing |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение