筛选生物活性纳米颗粒在噬菌体免疫细胞中的Toll样受体信号传导抑制剂

Medicine
 

Summary

Toll样受体(TLR)信号在许多人类炎性疾病的病理生理学中起着重要作用,并且预期在许多炎症状态下调节生物活性纳米颗粒的TLR应答是有益的。基于THP-1细胞的报道细胞提供了一个通用和强大的筛选平台,用于鉴定TLR信号传导的新型抑制剂。

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Yang, H., Fung, S. Y., Bao, A., Li, Q., Turvey, S. E. Screening Bioactive Nanoparticles in Phagocytic Immune Cells for Inhibitors of Toll-like Receptor Signaling. J. Vis. Exp. (125), e56075, doi:10.3791/56075 (2017).

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Abstract

Toll样受体(TLR)反应的药理学调节在许多炎性疾病的治疗中具有很大的前景。然而,迄今为止,已有有限的化合物可以减弱TLR信号,临床上没有临床批准的TLR抑制剂(抗疟药物羟氯喹除外)。鉴于纳米技术的快速发展,使用纳米器件的免疫反应性的操作可能为治疗这些疾病提供了新的策略。在这里,我们提出了一种高通量筛选方法,用于快速鉴定抑制吞噬免疫细胞中TLR信号传导的新型生物活性纳米颗粒。该筛选平台建立在具有比色和荧光素酶测定法的基于THP-1细胞的报道细胞上。通过两个诱导型报道构建体的稳定整合,报道细胞由人THP-1单核细胞系工程化。一个表达分泌的胚胎碱性磷酸酶(SEAP)基因在由转录因子NF-κB和AP-1诱导的启动子的控制下,另一种在由干扰素调节因子(IRF)诱导的启动子的控制下表达分泌的荧光素酶报道基因,TLR刺激后,报告细胞激活转录因子并随后产生SEAP和/或荧光素酶,其可以使用它们相应的底物试剂检测。使用我们以前研究中建立的肽 - 金纳米颗粒(GNP)杂交库作为例子,我们确定了一种能够有效抑制由其原型配体脂多糖(LPS)触发的TLR4信号级联两臂的肽-GNP杂交体。研究结果通过包括免疫印迹在内的标准生物化学技术进行验证。进一步的分析确定,这种铅杂交具有广泛的抑制谱,作用于多个TLR途径,包括TLR2,3,4和5.该实验方法允许快速评估ra纳米颗粒(或其他治疗化合物)可以调节吞噬免疫细胞中的特异性TLR信号。

Introduction

Toll样受体(TLR)是有助于抵御感染的第一道防线的先天免疫系统的关键要素之一。 TLR是负责通过信号转导1,2的级联通过识别的病原体相关分子模式(或的PAMP)全集感测侵入的病原体和安装防御反应。确定了10个人类TLR;除了其中配体保持不清楚的TLR10之外,每个TLR可以识别出不同的保守组的PAMP。例如,主要位于细胞表面的TLR2和TLR4可以分别从革兰氏阳性和革兰氏阴性菌中检测脂蛋白和糖脂;而主要存在于内体区的TLR3,TLR7 / 8和TLR9可以感染来自病毒和细菌的RNA和DNA产物3 。当被PAMP刺激时,TLR通过释放pro-inf来触发必需的免疫应答炎症介质,募集和激活效应免疫细胞,协调随后的适应性免疫事件4

TLR信号转导可被简单地分类为两个主要途径5,6。一种依赖于衔接蛋白骨髓分化因子88(MyD88) - MyD88依赖性途径。 TLR3以外的所有TLR均利用该途径激活活化的B细胞(NF-κB)和丝裂原相关蛋白激酶(MAPK)的核因子κ-轻链增强子,导致促炎介质如TNF- α,IL-6和IL-8。第二个途径利用含有TIR结构域的转录因子诱导型干扰素-β(TRIF) - TRIF依赖性或MyD88非依赖性途径来激活干扰素(IFN)调节因子(IRF)和NF-κB,导致产生I型IFN。完整的TLR信号对我们日常保护免受微生物和病毒感染至关重要; TLR信号通路缺陷会导致免疫缺陷,并且往往对人体健康有害。 7

然而,TLR信号是“双刃剑”,过度的,不受控制的TLR激活是有害的。过度活跃的TLR应答有助于发病机制在许多急性和慢性人类炎性疾病8,9。例如,败血症其特点是全身炎症反应和多器官损伤,主要是由于急性,铺天盖地的免疫反应对人感染,TLR2和TLR4在脓毒症病理生理学10,11,12发挥着至关重要的作用。此外,TLR5已被发现有助于囊性纤维化患者的慢性肺部炎症1314 。此外,失调的内体TLR信号传导(例如,TLR7和TLR9)强烈与若干自身免疫疾病包括全身性红斑狼疮(SLE)和类风湿性关节炎(RA)15,16的发展和进展有关。这些证据会聚线识别TLR信号作为许多炎性疾病17潜在的治疗靶。

尽管TLR应答的药理学调节预计是许多炎性病症是有益的,不幸的是,目前有可用的临床抑制TLR信号9,17,18非常少的化合物。这部分是由于涉及免疫稳态和疾病病理学的TLR途径的复杂性和冗余性。因此,寻找小说,可爱靶向多种TLR信号通路的治疗剂可以弥补基本差距,克服将TLR抑制剂推进临床的挑战。

在纳米科学和纳米技术的快速发展的光,纳米器件正在成为下一代由于其独特的性能19,20,23 TLR调节剂。纳米级尺寸允许这些纳米疗法有更好的生物分布和持续循环24,25,26。它们可以进一步官能化,以满足希望的药效学和药代动力学特性27,28,29。更令人兴奋的是,这些新型纳米器件的生物活性来自于它们的固有特性,可以为其定制具体的医疗应用,而不是简单地用作治疗剂的递送载体。例如,高密度脂蛋白(HDL) -样纳米颗粒被设计为通过清除所述TLR4配LPS 23抑制TLR4信号传导。此外,我们已经开发出一种肽-金纳米颗粒混合动力系统,其中,所述装饰的肽可以改变金纳米颗粒的表面特性,并允许它们具有各种生物活性30,31,32,33。这使得它们成为下一代纳米治疗剂的特殊类药物(或“纳米药物”)。

在这个方案中,我们提出了一种方法,以鉴定一类新型的肽 - 金纳米颗粒(肽-GNP)杂合体,其可以有效抑制吞噬免疫细胞中的多种TLR信号通路32 33 。该方法基于商业上可获得的THP-1报道细胞系。报道细胞由两个稳定的诱导型报道构建体组成:一个携带分泌的胚胎碱性磷酸酶(SEAP)基因,在由转录因子NF-κB和激活蛋白1(AP-1)诱导的启动子的控制下;另一种含有由干扰素调节因子(IRF)诱导的启动子控制下的分泌的萤光素酶报告基因。在TLR刺激下,信号转导导致NF-κB/ AP-1和/或IRFs的激活,其导致报道基因分泌SEAP和/或荧光素酶;可以使用分光光度计或发光计使用其相应的底物试剂容易地检测这些事件。使用这种方法筛选我们以前建立的肽-GNP杂交体的文库,我们确定了能够有效抑制TLR4信号通路的潜在候选物。铅肽 -然后使用另一种免疫印迹生物化学方法验证GNP杂交,并对其他TLR途径进行评估。这种方法可以快速,有效地筛选靶向TLR信号通路的新药。

Protocol

1.细胞培养基和试剂的制备

  1. 通过将10%胎牛血清(FBS),2mM L-谷氨酰胺和1mM丙酮酸钠的补充剂加入到RPMI-1640培养基中来制备完整的细胞培养基R10。
    1. 通过向R10加入抗生素Zeocin(200μg/ mL)来制备选择培养基R10-Z,以维持在NF-κB/ AP-1活化的控制下的SEAP表达。为了选择表达SEAP和荧光素酶报告基因的细胞,将ROC(100μg/ mL)和杀稻瘟素(10μg/ mL)添加到R10(作为R10-ZB)中。
  2. 通过溶解在基板粉末的一个袋(E .G。,QUANTI -蓝)到100ml超纯,无内毒素的水在一个干净的125姆·格拉斯烧瓶中制备SEAP底物溶液。
    1. 轻轻旋转溶液,并在37℃下孵育1小时以确保底物完全溶解。
    2. <li>使用0.2μm的膜过滤溶液,以确保其无菌性(可选),并在使用前将其储存在4°C至多2周。
  3. 通过将一个底物粉末( 例如 QUANTI-Luc)溶解在无菌的50mL离心管中的25mL超纯无内毒素游离水中来制备萤光素酶底物溶液。
    1. 完全溶解粉末后立即使用溶液。或者,使用前将溶液储存在4°C(最多一周)或-20°C(最多一个月)。
      注意:两种基材溶液都是光敏的,每当有可能时应避免曝光。溶液的多次冻融循环可能导致底物的不稳定性并缩短其保质期。
  4. 在分子级二甲基亚砜(DMSO)中制备佛波醇12-肉豆蔻酸酯13-乙酸酯(PMA)的储备溶液,使其浓度为500μg/ mL。制备储备溶液的等分试样(在500μL管中10μL)并将其储存在-20℃。
  5. 在无菌,无内毒素的水中以5 mg / mL的浓度制备LPS(大肠杆菌K12)储备溶液,并将等分试样长期储存在-20°C。通过将原料LPS稀释到浓度为100μg/ mL的磷酸盐缓冲盐水(PBS)中并在使用前储存在-20℃来制备工作的LPS溶液。
    注意:培养用途的试剂制剂应在生物安全柜内进行,所有容器应在使用前进行灭菌。应避免PMA和LPS溶液的重复冻融循环。

2.培养THP-1报道细胞来源的巨噬细胞

  1. 使用两个THP-1报道细胞系:THP-1-XBlue和THP-1-Dual细胞。前者具有由NF-κB/ AP-1控制的SEAP报告基因,后者具有双重报道基因系统,相同的SEAP报告基因和IRF控制的荧光素酶基因。该ir文化程序是一样的,除了选择培养基。
    1. 在10 mL R10培养基中解冻工作细胞储备(约5 x 10 6个细胞),以300 xg的速度将细胞转移5分钟。将细胞重悬于10mL的R10培养基中,并将其转移到T75培养瓶中。每2-3天更换培养基,直到细胞达到1×10 6个细胞/ mL的密度。
    2. 当细胞生长达到其能力时,通过细胞以将细胞密度降低至2-5×10 5个细胞/ mL的范围,因此细胞可以继续生长。
    3. 至少1次传代后,开始培养选择培养基中的细胞:THP-1-XBlue的R10-Z和THP-1-Dual的R10-ZB。在用选择培养基培养细胞至少1次后,细胞准备进行实验。
      注意:细胞过度生长可导致明显的细胞死亡;细胞存活率应保持> 98%。记录通道号作为细胞在许多段落(> 20段)之后,ls可能会有所不同。
      注意:细胞培养瓶可以多次重复使用以节省成本;然而,这种做法可能会增加不同烧瓶之间一般污染和交叉污染的风险(如果同时处理不同的细胞系)。在培养基更换和细胞通过过程中,离心分离设定为300×g,持续5分钟。
  2. 为了进行报道细胞测定,将种子细胞置于96孔平底细胞培养板中并将其分化成巨噬细胞。以下对该步骤进行说明。
    1. 将细胞从烧瓶转移到离心管中,以300×g离心细胞5分钟,并以1×10 6个细胞/ mL的浓度将其重悬于R10培养基中。将PMA溶液的等分试样加入到终浓度为50ng / mL的细胞悬浮液中。
    2. 将100μL细胞悬浮液转移到96孔的每个孔中使用多通道移液器盘。在37℃孵育平板(细胞培养箱中)24小时。
    3. 孵育后,使用真空吸气器(或多通道移液管)小心地取出培养基,并用PBS(100μL/孔)轻轻洗涤细胞两次;在每个孔中加入100μL新鲜的R10培养基。在进行报告测定之前,在培养箱中将细胞静置2天。
      注意:休息步骤对于允许细胞在PMA刺激后冷静到正常的安静状态非常重要。这可以显着降低报告基因在未刺激条件下的背景信号。
      注意:用PMA进行24次刺激后,将细胞分化为巨噬细胞样表型,具有孔底部的细胞粘附特征,以及伪足的形态特征。

3.使用报道细胞筛选潜在的TLR4纳米抑制剂注意:由于TLR4信号利用了依赖于MyD88和TRIF的途径,因此被选为涵盖广泛TLR信号通路的主要靶标。 THP-1-XBlue报告细胞主要用于检测NF-κB/ AP-1激活,而THP-1-Dual细胞用于从TRIF依赖信号转导中激活IRF。

  1. 通过在筛选之前产生剂量 - 反应曲线来确定最佳的LPS剂量。
    1. 在R10培养基中稀释工作的LPS溶液至0.01-100ng / mL的终浓度(以log 10级稀释)。布置板设计,并在96孔圆底培养板中稀释。确保每个孔在稀释后至少有110μL的溶液。
    2. 使用真空抽吸器轻轻从细胞培养板(2.2.3)中取出培养基。
    3. 转移稀释板(3.1.1)中制备的含有R10培养基的LPS i根据样品的布局,对培养板进行培养。在37℃孵育平板(细胞培养箱中)24小时。
    4. 24小时后,小心地将上清液(80μL/孔)转移到新的96孔圆底板中。立即对这些溶液进行比色和/或荧光素酶发光测定,或在分析开发之前将其储存在4℃(几小时)或-20℃(天)。
      注意:实验和数据分析时,板布局的设计应该简单明了。对于每个条件,应考虑2-4个重复。始终包括阴性对照组(LPS null)。推荐使用THP-1-XBlue细胞进行NF-κB/ AP-1激活,因为双重细胞在分化成巨噬细胞后具有较高的NF-κB/ AP-1活化背景。然而,使用Dual细胞报告NF-κB/ AP-1和IRF活化是可行的。
  2. 开发颜色NF-κB/ AP-1活化的荧光素酶检测和IRF活化的荧光素酶发光测定。
    1. 为了评估NF-κB/ AP-1活化,将每个样品的20μL上清液转移到新的96孔平底培养板中;并向每个孔中加入180μL预热的SEAP底物溶液。将板在37℃下孵育1-2小时以使显色(粉色至深蓝色)。在平板阅读器上收集655 nm的吸收。
      注意:孵育时间可以根据颜色发展而变化(30分钟到孵育过夜)。建议等到最暗颜色的光密度(OD)达到1以上,同时避免色彩饱和度(OD> 3)。
    2. 为了分析IRF活化,将每个样品的10μL上清液转移到96孔透明的平底白底板中。加入荧光素酶溶液(50μL),并立即收集发光w呃好
      注意:强烈建议使用具有自动注入功能的发光板读取器,以确保从孔到阱以及从板到板的发光读数的一致性。如果手动注射底物溶液,请确保每个孔的孵育时间和阅读设置一致。
  3. 对具有10ng / mL LPS刺激的多种肽-GNP杂交体进行筛选测定(基于3.1)。按照与3.2相同的程序进行报告化验。
    1. 使用离心方法将肽-GNP杂交体在R10培养基中浓缩至200nM。将20体积的混合溶液(10nM)以18,000xg离心30分钟,并小心地丢弃上清液。将杂交体(管底部)收集到管中,用PBS洗涤两次,并将杂交体重新悬浮在一个体积的R10培养基中。
    2. 混合等体积的浓缩杂交和含有R10培养基的LPS(20ng / mL)分别具有100nM和10ng / mL的混合物和LPS的终浓度。
    3. 从培养板(2.2.3)中取出培养基,并将100μL混合溶液加入每个孔(每个条件重复3次);包括阴性对照(仅培养基)和LPS对照(10ng / mL LPS,不含杂交体)。
    4. 在37℃孵育24小时后,将每个孔的培养基转移到管中,并以18,000xg,4℃离心管30分钟。将上清液(50-80μL/管)收集到96孔圆底板中,并按3.2所述进行报道分析。
      注意:离心后丢弃上清液,不要搅动管底部的杂交体。
      注意:步骤3.3.4中的离心对于从培养基中去除非内在纳米颗粒杂交体是非常重要的,并且可以避免混合物与共培养物的干扰半数/发光读数。这是因为金纳米颗粒可以根据其尺寸和聚集吸收宽波长的光。

4.验证潜在候选人的抑制作用

注意:为了确认来自筛选的潜在候选者的抑制作用,采用两种方法。一个是以固定的杂交浓度(或以其他方式)检查兴奋剂(LPS)的剂​​量反应;另一个是通过免疫印迹直接观察对NF-κB/ AP-1和IRF3信号的抑制。

  1. 在方法一中,按照3.3中所述的相同方法,用100nM的铅杂交体和1ng / mL和10ng / mL的两种LPS浓度进行报道测定。包括一个不活动的混合(基于筛选结果)作为混合对照进行比较。
  2. 对于免疫印迹方法,请遵循标准e实验程序。
    1. 在R10培养基中培养THP-1细胞,将细胞接种到12孔培养板(2×10 6个细胞/孔)中,通过用50ng / mL PMA处理细胞24小时,然后静息分化成巨噬细胞2天。
    2. 在细胞分化后,随着时间的推移(至多4小时)用具有/不具有杂交体(100nM)的10ng / mL LPS刺激细胞。在不同的时间点(0,5,15,30,60,120和240分钟),制备用于免疫印迹的细胞裂解物。包括一个不活动的混合作为控件。
    3. 探测IκBα,磷酸化p65和磷酸化IRF3的信号,以检测铅杂交体对NF-κB和IRF3活化的抑制作用。探测β-肌动蛋白和总IRF3信号作为内部对照。
      注意:信号转导通常发生得更快(几小时),然后报告酶SEAP和荧光素酶的表达(24小时)。强烈推荐也穿孔作为另一种验证方法,在24小时测试的杂交体的生存力测定。

5.评估TLR特异性

注意:为了研究前导肽-GNP杂交体的TLR特异性,测试了其他TLR信号通路,包括TLR2,TLR3和TLR5。 TLR7,8和9被排除在外,因为THP-1衍生的巨噬细胞由于在巨噬细胞34中缺乏TLR7,8和9的表达而对这些TLR的刺激不能很好地反应。

  1. 在两种报道细胞衍生的巨噬细胞上测试TLR2(Pam3CSK4),TLR3(poly I:C)和TLR5(鞭毛蛋白)特异性配体的各种浓度(1ng / mL至25μg/ mL),以获得相同的最佳浓度3.1和3.2中的程序。
  2. 用铅混合物(100nM)和每种TLR配体的混合物以5.1获得的浓度处理细胞,以评估铅的抑制特异性根据3.3中描述的实验程序。包括不活动的混合动力作为对照进行比较。

Representative Results

整体实验方法如图1所示 。通过探测NF-κB/ AP-1和IRF的激活,两个THP-1报道细胞系THP-1-XBlue和THP-1-Dual分别用于快速筛选TLR反应。可以通过SEAP比色法检测NF-κB/ AP-1的活化,而通过萤光素酶发光监测IRF的活化。单核细胞THP-1细胞可以容易地衍生到巨噬细胞中,以筛选纳米装置对其在先天吞噬细胞免疫细胞上的免疫调节活性。记者系统可以高通量的方式进行筛选;这种方法对于发现新的免疫治疗剂是特别有用的,特别是针对先天免疫信号如TLR信号传导。

筛选程序和代表性结果如图所示图2A 2B )。首先测试不同浓度的TLR配体(TLR4作为实例),以获得肽-GNP杂交体的实际筛选的最佳浓度。 LPS引起的TLR4刺激导致NF-κB/ AP-1的活化和SEAP的产生。释放的SEAP转化了底物并改变了其光物理性质,这可以通过光吸收的变化来监测,导致溶液颜色变化( 图2C )。这种变化与刺激后释放的SEAP的量成比例,并且可以通过在分光光度计上测量655nm处的吸光度来定量( 图2D )。类似地,IRFs的激活(由LPS引发)导致luciferas的表达e,其催化底物产生发光( 图2E )。基于这些剂量反应,使用LPS(10ng / mL)的最佳浓度来筛选小型先前建立的肽-GNP杂交体的文库( 表1 )。该杂交种及其物理化学特性的制造在我们以前的出版物30,31,32进行了描述。从筛选中,鉴定出一组杂交体(P12及其衍生物)对由LPS引发的NF-κB/ AP-1和IRF活化的有效抑制活性( 图2F );有趣的是,与肽包膜中的P12略微不同的杂合子P13没有任何抑制活性,可以作为混合对照进行比较。 P13衍生物显示出各种程度的轻度抑制活性,取决于其它r表面上装饰肽。

鉴定铅杂种后,重要的是验证抑制活性。首先通过检查杂种与LPS的不同比例来排除由于技术假象引起的潜在的假阳性结果来确认抑制。随着LPS浓度的增加,混合物(固定浓度)的抑制作用如预期那样降低( 图3A) 3B )。为了进一步确保观察到的来自报道测定的抑制作用确实是通过引导杂交体下调NF-κB和IRF信号传导的结果,进行免疫印迹以随时间直接评估蛋白质信号转导。通过探测NF-κB亚基p65的磷酸化和NF-κB抑制剂IκBα的降解以及荧光体的荧光体来检测NF-κB和IRF3的活化分别为IRF3。 如图3C所示,引物杂合物P12可以减少p65磷酸化,抑制IκBα降解和延迟IRF3磷酸化,而无活性杂合P13不能(数据未显示)。所有这些结果证实,鉴定的铅杂交能够通过下调NF-κB和IRF3激活来抑制LPS介导的TLR4信号传导。

除TLR4信号外,还对TLR,TLR3和TLR5等其他TLR途径进一步评估了铅杂交体的抑制活性,以解决TLR特异性。 如图4所示,先导杂交P12能够减少TLR2-和TLR5介导的NF-κB/ AP-1信号传导以及TLR3介导的IRF活化;再次,无活性杂合体P13没有显示任何抑制活性。这些结果表明,鉴定的铅杂种具有很强的抑制作用多个TLR途径的活动。

图1
图1:使用报道细胞测定的TLR抑制剂高通量筛选的总体实验方法。使用两种报道细胞系:THP-1-XBlue和THP-1-Dual。前者具有在NF-κB/ AP-1激活控制下的SEAP报告基因,而Dual系统在IRFs活化的控制下具有另外的荧光素酶报道基因。这些细胞可以容易地分化成巨噬细胞,用于免疫调节纳米颗粒在先天免疫信号上的高通量筛选。 请点击此处查看此图的较大版本。

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图2:高通量筛选TLR4信号传导的纳米抑制剂。
A )实验程序方案。 ( B )分化巨噬细胞的光学显微镜图像(放大200倍)。 ( C )来自SEAP报道分析的溶液颜色变化的代表性图像;根据培养基中的SEAP表达,底物溶液的颜色变成紫色或深蓝色(从原始粉红色)。 ( D )响应于LPS刺激,在655nm处的SEAP底物吸收的定量分析。 ( E )来自IRF报道系统的荧光素酶发光与LPS刺激成比例。 ( F )高通量筛选,鉴定前导肽-GNP杂合物P12及其衍生物抑制TLR4信号传导的NF-κB/ AP-1和IRF途径;杂交浓度= 100nM; LPS浓度= 10 ng / mL;该条代表平均值±标准偏差; n = 2. 请点击这里查看该图的较大版本。

图3
图3:铅混合抑制活性的验证。确认铅混合物与各种浓度的LPS对( A )SEAP和( B )荧光素酶报告系统的抑制作用。 ( C )通过免疫印迹确认铅杂合物对NF-κB和IRF3信号传导的抑制作用。将非活性杂合体P13用作混合对照进行比较。杂交浓度= 100nM; LPS浓度= 10 ng / mL;该条代表平均值±标准偏差; n = 3; *和***表示p <0.05 and p <0.001,使用单因素方差分析。 请点击此处查看此图的较大版本。

图4
图4:铅混合物对其他TLR信号通路的抑制作用。
TLR2刺激(Pam3CSK4 = 1 ng / mL)( A )和TL5刺激(鞭毛蛋白= 100ng / mL)( B )后,铅混合物对NF-κB/ AP-1的抑制作用。 ( C )通过TLR3刺激后的铅杂合物(poly I:C =25μg/ mL),NF-κB/ AP-1和IRF信号传导的减少。杂交浓度= 100nM;该条代表平均值±标准偏差; n = 3; *,**和***分别表示p <0.05,p <0.01和p <0.001单因素方差分析; ns:不重要。 请点击此处查看此图的较大版本。

表格1
表1:我们早期研究中建立的一个小型肽-GNP杂交文库。
杂交体由金纳米颗粒核心(直径约13nm)和表面上的各种六肽涂层制成。 请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

由于TLR参与许多炎性疾病的发病机制,因此已经成为调节免疫反应和炎症反应的治疗靶点。然而,迄今为止,抑制TLR信号通路治疗药物的临床发展取得了有限的成果。其抑制TLR7和TLR9的抗疟疾药物羟氯喹在临床用途35,36。同样,只有化合物的有限数量的已经进展到临床试验,包括依立托仑,一个TLR4拮抗剂,其显示出对强效抑制作用LPS介导的临床前研究37,38炎症应答,表现在相位阳性结果的I / II期临床试验39,40,41,但最终的III期临床试验未能降低死亡率的严重脓毒症患者42例 。这种失败有许多可能的原因,一个是脓毒症相关的炎症反应通常通过多个TLR途径触发,因此仅阻断TLR4可能不足以减少压倒性的炎症。因此,开发新型有效的多TLR抑制剂可以克服这些临床挑战,成为下一代抗炎治疗药物。预期这里描述的筛选策略和方案将成为研究TLR信号的有效实验工具,更重要的是作为加速搜索下一代TLR抑制剂的药物发现平台。

这种筛选方法在寻找新的TLR抑制剂方面提供了几个优点。首先,可以使用快速,敏感和定量的报道细胞系统以高通量方式实现筛选。其次,与报道细胞系,可以进行筛选以覆盖广泛的TLR信号级联,包括NF-κB/ AP-1途径和I型干扰素信号传导(通过IRF);因此,它们是筛选多种TLR途径的理想选择。第三,这些报道细胞是从人单核细胞THP-1细胞系进行遗传工程改造的,这是一种很好的模型系统,用于研究针对先天免疫反应的干预措施。第四,容易维持细胞系,特别是可以分化成巨噬细胞;并且由于巨噬细胞在许多疾病相关的炎症病症中发挥关键作用,因此它们作为靶向TLR信号传导的免疫治疗药物的筛选的理想靶标。第五,单核细胞和巨噬细胞具有令人印象深刻的吞噬能力,​​其允许纳米颗粒的高细胞摄取,使得它们特别适用于研究纳米级治疗剂。此外,该筛选方案可以应用于不仅搜索基于纳米的方法中毒剂,还有其他类型的生物活性化合物。

虽然这个筛选平台是非常通用和健壮的,但是必须谨慎使用以避免发现错误。筛选主要基于报告基因测定,报告基因检测依赖于特定信号传导事件控制下报告基因的表达。理想情况下,报告基因表达(SEAP和荧光素酶)与感兴趣的信号转导途径的强度成正比,药物候选物的影响反映在测定读数中。然而,实际上,报告基因表达上游发生的任何生物事件都可能影响结果,有时会导致假阳性发现。例如,SEAP的低表达可能来自蛋白质合成过程的抑制,而不是TLR信号的下调43 。为了避免这种错误的发现,该标识的抑制活性d候选人应始终进行验证,黄金标准方法是通过免疫印迹直接观察信号通路。筛选纳米颗粒治疗剂的另一个重要方面是这些纳米器件的表面性质。基于表面改性剂,纳米装置可以具有各种生物活性。然而,它们也可能对某些生物分子具有非特异性结合能力。在非特异性结合SEAP或荧光素酶的情况下,对这些纳米器件的底物的催化活性可能受到影响,导致潜在的假发现。在筛选中包括额外的控制组( 例如 ,仅限纳米设备)会降低发现错误的风险。最后但并非最不重要的是,必须检查鉴定的候选人的细胞毒性,以排除细胞毒性作为假发现的一个因素。这可以在筛选过程中同时使用标准生存力测定( 例如 ,MTS或MTT),或在单独的实验中。

Disclosures

作者没有什么可以披露的。

Acknowledgments

作者要感谢上海市第一人民医院(HY)起始基金,上海交通高峰临床医学奖学金支持,上海市高校特聘任(东方学者)教授的支持大学医学院(HY),以及加拿大克罗恩病和结肠炎基金会(CCFC)(SET和HY)的资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
THP-1-XBlue reporter cell InvivoGen thpx-sp keep cell culture passage under 20
THP-1-Dual repoter cell InvivoGen thpd-nfis keep cell culture passage under 20
RPMI-1640 (no L-glutamine) GE Health Care SH30096.02 Warm up to 37 °C before use; add supplements to make a complete medium R10
Fetal bovine serum (qualified) Thermo Fisher Scientific 12484028 Heat inactivated; 10% in RPMI-1640
L-glutamine Thermo Fisher Scientific SH30034.02 2 mM in the complete medium R10
Sodium pyruvate Thermo Fisher Scientific 11360-070 1 mM in the complete medium R10
Dulbecco's phosphate buffered saline, 1X, without calcium, magnesium GE Health Care SH30028.02 Use for cell washing and reagent preparation
QUANTI-Blue InvivoGen rep-qb1 SEAP substrate
QUANTI-Luc InvivoGen rep-qlc2 Luciferase substrate
Zeocin InvivoGen ant-zn-1 Selection antibiotics for reporter cells
Blasticidin InvivoGen anti-bl-1 Selection antibiotics for reporter cells
Dimethyl sulfoxide (DMSO) for molecular biology Sigmal-Aldrich D8418-100ML Use for reagent preparation
Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) for molecular biology Sigmal-Aldrich P1585-1MG Use for cell differentiation
Lipopolysaccharide (LPS) from E. coli K12 InvivoGen tlrl-eklps TLR4 ligand
Pam3CSK4 InvivoGen tlrl-pms TLR2/1 ligand
Poly (I:C) HMW InvivoGen tlrl-pic TLR3 ligand
Flagellin from S. Typhimurium (FLA-ST), ultrapure InvivoGen tlrl-epstfla TLR5 ligand
SpectraMax Plus 384 microplate reader Molecular Devices N/A Read colorimetric assay
Infinite M200 Pro multimode microplate reader with injectors Tecan N/A Read luminiscience
Microfuge 22R centrifuge Beckman Coulter N/A Temperature controlled micro-centrifugator (up to 18,000 g)
Allegra X-15R centrifuge Beckman Coulter N/A Temperature controlled general purpose centrifugator (for cell culture use)
Costar assay plate, 96-well white with clear flat bottom, tissue culure treated Corning Costar 3903 Used for luminiscence assay

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