Анализ связывания лиганда ( LBA ) — это анализ или аналитическая процедура, которая основана на связывании молекул лиганда с рецепторами , антителами или другими макромолекулами . [1] Метод обнаружения используется для определения наличия и количества образованных комплексов лиганд-рецептор, и это обычно определяется электрохимически или с помощью метода флуоресцентного обнаружения . [2] Этот тип аналитического теста может использоваться для проверки наличия целевых молекул в образце, которые, как известно, связываются с рецептором. [3]
Существует множество типов анализов связывания лигандов, как радиоактивных , так и нерадиоактивных. [4] [5] [6] Некоторые новые типы называются анализами «смешай и измерь», поскольку для их завершения требуется меньше этапов, например, исключается удаление несвязанных реагентов. [5]
Анализы связывания лигандов используются в основном в фармакологии для различных нужд. В частности, несмотря на эндогенные рецепторы человеческого организма , гормоны и другие нейротрансмиттеры , фармакологи используют анализы для создания лекарств , которые являются селективными или имитируют эндогенно обнаруженные клеточные компоненты. С другой стороны, такие методы также доступны для создания антагонистов рецепторов с целью предотвращения дальнейших каскадов. [7] Такие достижения предоставляют исследователям возможность не только количественно определять гормоны и гормональные рецепторы, но и вносить важную фармакологическую информацию в разработку лекарств и планы лечения. [8]
Исторически методы анализа связывания лиганда широко использовались для количественной оценки концентрации гормона или гормонального рецептора в плазме или в ткани. Методология анализа связывания лиганда количественно определяла концентрацию гормона в исследуемом материале путем сравнения эффектов исследуемого образца с результатами различных количеств известного белка ( лиганда ).
Основы, на которых был построен анализ связывания лиганда, являются результатом работы Карла Ландштейнера в 1945 году и его работы по иммунизации животных путем получения антител к определенным белкам. [9] Работа Ландштейнера продемонстрировала, что технология иммуноанализа позволяет исследователям проводить анализ на молекулярном уровне. Первый успешный анализ связывания лиганда был описан в 1960 году Розалин Сассман Ялоу и Соломоном Берсоном . [9] Они исследовали взаимодействие связывания инсулина и инсулин-специфического антитела, а также разработали первый радиоиммуноанализ (РИА) для инсулина. Эти открытия предоставили ценную информацию как относительно чувствительности, так и специфичности белковых гормонов, обнаруженных в жидкостях на основе крови. [9] Ялоу и Берсон получили Нобелевскую премию по медицине в результате своих достижений. Благодаря развитию технологии РИА исследователи смогли выйти за рамки использования радиоактивности и вместо этого использовать жидко- и твердофазные, конкурентные и иммунорадиометрические анализы. [9] Как прямой результат этих монументальных открытий, исследователи продолжили развитие анализов связывания лигандов во многих аспектах в области биологии, химии и т. п. Например, лаборатория Лоис в Калифорнийском технологическом институте использует искусственные лиганды и рецепторы на нейронах для отслеживания потока информации в мозге. [10] Они специально используют индуцированный лигандом внутримембранный протеолиз, чтобы распутать проводку мозга у дрозофилы и других моделей. [11] Когда искусственный лиганд на одном нейроне связывается с рецептором на другом, экспрессия GFP активируется в акцепторном нейроне, демонстрируя полезность анализов связывания лигандов в нейронауке и биологии. [12]
Анализы связывания лигандов позволяют измерить взаимодействия, происходящие между двумя молекулами, например, связывание белков, а также степень сродства (слабое, сильное или отсутствие связи), с которой реагенты связываются друг с другом. [13] Основные аспекты анализов связывания включают, помимо прочего, уровень концентрации реагентов или продуктов (см. раздел «Радиоактивные вещества»), поддержание константы равновесия реагентов на протяжении всего анализа, а также надежность и достоверность связанных реакций. [13] Хотя анализы связывания просты, они не дают информации о том, влияет ли тестируемое соединение на функцию мишени. [14]
Радиолиганды используются для измерения связывания лиганда с рецепторами и в идеале должны иметь высокое сродство, низкое неспецифическое связывание, высокую специфическую активность для обнаружения низкой плотности рецепторов и специфичность рецептора. [7]
Уровни радиоактивности радиолиганда (на моль) называются удельной активностью (SA), которая измеряется в Ки/ммоль. [15] Фактическая концентрация радиолиганда определяется конкретной исходной смесью, для которой был получен радиолиганд (от производителей). [15] Следующее уравнение определяет фактическую концентрацию:
[15]
Анализ насыщения используется в различных типах тканей, таких как фракции частично очищенной плазмы из гомогенатов тканей , клетки, трансфицированные клонированными рецепторами, и клетки, которые либо находятся в культуре, либо изолированы до анализа. [7] Анализ связывания насыщения может определить сродство и плотность рецептора. Он требует, чтобы выбранная концентрация была определена эмпирически для нового лиганда.
Существуют две общие стратегии, которые применяются для этого типа эксперимента: [7] Увеличение количества добавляемого радиолиганда при сохранении как постоянной удельной активности , так и постоянной концентрации радиолиганда, или уменьшение удельной активности радиолиганда за счет добавления немеченого лиганда. [7]
График Скэтчарда (график Розенталя) может быть использован для отображения сродства радиолиганда. На этом типе графика соотношение связанного/свободного радиолиганда отображается против связанного радиолиганда. Наклон линии равен отрицательной обратной величине константы сродства (K). Пересечение линии с осью X является оценкой Bmax. [7] График Скэтчарда может быть стандартизирован по соответствующему эталону, так что можно будет провести прямое сравнение плотности рецепторов в различных исследованиях и тканях. [7] Этот пример графика показывает, что радиолиганд связывается с одним сродством. Если бы лиганд связался с несколькими сайтами, имеющими разное сродство радиолиганда, то график Скэтчарда показал бы вогнутую линию. [7]
Программы нелинейной подгонки кривых, такие как Equilibrium Binding Data Analysis (EBDA) и LIGAND, используются для расчета оценок параметров связывания из экспериментов по насыщению и конкурентному связыванию. [16] EBDA выполняет начальный анализ, который преобразует измеренную радиоактивность в молярные концентрации и создает из данных наклоны Хилла и преобразования Скэтчарда . Анализ, выполненный EBDA, затем может быть использован LIGAND для оценки указанной модели связывания. [16]
Конкурентное связывание используется для определения наличия селективности для конкретного лиганда для подтипов рецепторов, что позволяет определить плотность и долю каждого подтипа в ткани. [7] Конкурентные кривые получают путем построения графика специфического связывания, представляющего собой процент от общего связывания, против логарифмической концентрации конкурирующего лиганда. [7] Крутая кривая конкуренции обычно указывает на связывание с одной популяцией рецепторов, тогда как пологая кривая или кривая с четкими точками перегиба указывает на множественные популяции участков связывания. [16]
Несмотря на различные методы, используемые для нерадиоактивных анализов, они требуют, чтобы лиганды демонстрировали схожие характеристики связывания с их радиоактивным эквивалентом. Таким образом, результаты как нерадиоактивных, так и радиоактивных анализов будут оставаться согласованными. [5] Одно из самых больших различий между радиоактивными и нерадиоактивными лигандными анализами заключается в опасности для здоровья человека. Радиоактивные анализы вредны тем, что они производят радиоактивные отходы; тогда как нерадиоактивные лигандные анализы используют другой метод, чтобы избежать производства токсичных отходов. Эти методы включают, но не ограничиваются, флуоресцентную поляризацию (FP), флуоресцентный резонансный перенос энергии (FRET) и поверхностный плазмонный резонанс (SPR). Для измерения процесса связывания лиганда с рецептором большинство нерадиоактивных методов требуют, чтобы маркировка не мешала молекулярным взаимодействиям. [5]
Поляризация флуоресценции (FP) является синонимом анизотропии флуоресценции . Этот метод измеряет изменение скорости вращения флуоресцентно-меченого лиганда после его связывания с рецептором. [5] Поляризованный свет используется для возбуждения лиганда, и измеряется количество испускаемого света. [5] Деполяризация испускаемого света зависит от того, связан лиганд (например, с рецептором). Если лиганд не связан, он будет иметь большую деполяризацию (лиганд может свободно вращаться быстро, вращая свет). Если лиганд связан, объединенный больший размер приводит к более медленному вращению и, следовательно, уменьшению деполяризации. [5] Преимущество этого метода в том, что он требует только одного шага маркировки. Однако этот метод менее точен при низких наномолярных концентрациях. [5]
Кинетический анализ исключения (KinExA) измеряет свободный (несвязанный) лиганд или свободный рецептор, присутствующий в смеси лиганда, рецептора и комплекса лиганд-рецептор. Измерения позволяют количественно оценить концентрацию активного лиганда и константы связывания (равновесие, скорости включения и выключения) взаимодействия. [17]
Флуоресцентный резонансный перенос энергии (FRET) использует энергию, передаваемую между донором и молекулами акцептора, которые находятся в непосредственной близости. [5] FRET использует флуоресцентно меченый лиганд, как и в случае с FP. [5] Передача энергии в рамках FRET начинается с возбуждения донора. [5] Диполь -дипольное взаимодействие между молекулой донора и акцептора передает энергию от донора к молекуле акцептора. [5] Если лиганд связан с комплексом рецептор-антитело, то акцептор будет излучать свет. [5] При использовании FRET критически важно, чтобы расстояние между акцептором и донором было меньше 10 нм, в дополнение к перекрывающемуся спектру поглощения между акцептором и донором, и чтобы антитело не мешало или не блокировало сайт связывания лиганда. [5]
Поверхностный плазмонный резонанс (ППР) не требует маркировки лиганда. [5] Вместо этого он работает, измеряя изменение угла, под которым поляризованный свет отражается от поверхности ( показатель преломления ). [5] Угол связан с изменением массы или толщины слоя, например, иммобилизация лиганда, изменяющая угол резонанса, что увеличивает отраженный свет. [5] Устройство, для которого получен ППР, включает в себя сенсорный чип, проточную ячейку, источник света, призму и детектор положения с фиксированным углом. [5]
Анализ связывания лиганда в жидкой фазе иммунопреципитации (ИП) — это метод, который используется для очистки или обогащения определенного белка или группы белков с использованием антитела из сложной смеси. Экстракт разрушенной ткани или клеток смешивается с антителом против интересующего антигена, что приводит к образованию комплекса антиген-антитело. [18] Когда концентрация антигена низкая, осаждение комплекса антиген-антитело может занять часы или даже дни, и становится трудно выделить небольшое количество образовавшегося осадка. [18]
Иммуноферментный анализ ( ELISA ) или вестерн-блоттинг — это два разных способа получения и анализа очищенного антигена (или нескольких антигенов). Этот метод включает очистку антигена с помощью прикрепленного антитела на твердой (бусинчатой) подложке, такой как агарозная смола. [19] Иммобилизованный белковый комплекс может быть получен либо в один этап, либо последовательно. [19]
IP также может использоваться в сочетании с биосинтетической радиоизотопной маркировкой. Используя эту комбинацию методов, можно определить, синтезируется ли определенный антиген тканью или клеткой. [18]
Многолуночные планшеты представляют собой несколько чашек Петри, объединенных в один контейнер, с числом отдельных лунок от 6 до более чем 1536. Многолуночные планшетные анализы удобны для обработки необходимых дозировок и репликатов. [20] Существует широкий спектр типов планшетов, которые имеют стандартизированную площадь основания, вспомогательное оборудование и измерительные системы. [20] Электроды могут быть интегрированы в нижнюю часть планшетов для сбора информации в результате анализов связывания. [9] Связывающие реагенты иммобилизуются на поверхности электрода, а затем могут быть проанализированы. [9]
Многолуночные планшеты производятся для того, чтобы позволить исследователям создавать и манипулировать различными типами анализов (например, биоанализами , иммуноанализами и т. д.) в каждом многолуночном планшете. [20] Из-за изменчивости форматирования многолуночных планшетов нередко возникают артефакты. Артефакты возникают из-за различных сред, обнаруженных в разных лунках на планшете, особенно вблизи краев и центра лунок. Такие эффекты известны как эффекты лунок, краевые эффекты и эффекты пластин. Таким образом, подчеркивается необходимость правильного расположения конструкций анализов как внутри, так и между каждой пластиной. [20]
Использование многолуночных планшетов является обычным при измерении активности биологического анализа in vitro или измерении иммунореактивности с помощью иммуноанализов. [20] Артефактов можно избежать, поддерживая однородность планшета, применяя одинаковую дозу определенной среды в каждой лунке, в дополнение к поддержанию атмосферного давления и температурных показателей для снижения влажности. [20]
Анализы связывания лигандов на шариках представляют собой методы изоляции основных белков, ДНК/РНК или других биомолекул, находящихся в неопределенных суспензиях, и могут использоваться в различных биохроматографических приложениях. Биоаффинные лиганды ковалентно связаны с кремниевыми шариками с терминальными отрицательно заряженными силанольными группами или полистироловыми шариками и используются для выделения и очистки основных белков или адсорбции биомолекул. После связывания разделение выполняется центрифугированием (плотностное разделение) или притяжением магнитного поля (только для магнитных частиц). Шарики можно промывать для обеспечения чистоты изолированной молекулы перед ее растворением методами ионного обмена. Методы прямого анализа, основанные на ферментативном/флуоресцентном обнаружении (например, HRP, флуоресцентный краситель), могут использоваться для определения на шариках или количественной оценки связанных биомолекул. [21] [22] [23]
Анализы на фильтрах представляют собой твердофазный анализ связывания лигандов, в котором для измерения сродства между двумя молекулами используются фильтры. В анализе связывания на фильтрах фильтры используются для улавливания клеточных мембран путем всасывания через них среды. [8] Этот быстрый метод происходит с высокой скоростью, при которой фильтрация и извлечение могут быть достигнуты для найденной фракции. [24] Промывание фильтров буфером удаляет остаточные несвязанные лиганды и любые другие присутствующие лиганды, которые могут быть вымыты из мест связывания. [8] Комплексы рецептор-лиганд, присутствующие во время промывки фильтра, не будут значительно диссоциировать, поскольку они будут полностью захвачены фильтрами. [8] Характеристики фильтра важны для каждой выполняемой работы. Более толстый фильтр полезен для более полного извлечения небольших фрагментов мембраны, но может потребовать более длительного времени промывки. [8] Рекомендуется предварительно обрабатывать фильтры, чтобы помочь улавливать отрицательно заряженные фрагменты мембраны. [8] Замачивание фильтра в растворе, который придаст фильтру положительный поверхностный заряд, притянет отрицательно заряженные фрагменты мембраны. [8]
В этом типе анализа связывание лиганда с клетками отслеживается с течением времени. Полученный сигнал пропорционален количеству лигандов, связанных с целевой структурой, часто рецептором, на поверхности клетки. Информация о взаимодействии лиганд-мишень получается из изменения сигнала с течением времени, и можно рассчитать кинетические параметры, такие как константа скорости ассоциации k a , константа скорости диссоциации k d и сродство K D . [25] При измерении взаимодействия непосредственно на клетках не требуется выделения целевого белка, что в противном случае может быть затруднительно, особенно для некоторых мембранных белков. [26] Чтобы гарантировать, что взаимодействие с предполагаемой целевой структурой измеряется, рекомендуются соответствующие биологические контроли, такие как клетки, не экспрессирующие целевую структуру.
Измерения в реальном времени с использованием подходов без меток или на основе меток использовались для анализа биомолекулярных взаимодействий на фиксированных или живых клетках. [27] [28]
Преимущество измерения взаимодействий лиганд-рецептор в режиме реального времени заключается в том, что для точного определения сродства не требуется достижения равновесия связывания. [29]
Эффекты препарата являются результатом его селективности связывания со свойствами макромолекул организма или сродства, с которым различные лиганды связываются с субстратом. [30] Более конкретно, специфичность и селективность лиганда к его соответствующему рецептору дает исследователям возможность изолировать и производить определенные эффекты препарата посредством манипулирования концентрацией лиганда и плотностью рецепторов. [30] Гормоны и нейротрансмиттеры являются важными эндогенными регуляторными лигандами, которые влияют на физиологические рецепторы в организме. [30] Препараты, которые действуют на эти рецепторы, невероятно селективны для того, чтобы производить требуемые ответы от сигнальных молекул. [30]
Специфическое связывание относится к связыванию лиганда с рецептором, и возможно, что для одного лиганда существует более одного специфического сайта связывания. [31] Неспецифическое связывание относится к связыванию лиганда с чем-то, отличным от его назначенного рецептора, например, с различными другими рецепторами или различными типами транспортеров в клеточной мембране. [31] Например, различные антагонисты могут связываться с рецепторами нескольких типов. В случае мускариновых антагонистов они также могут связываться с рецепторами гистамина. [31] Такие модели связывания технически считаются специфическими, поскольку место назначения лиганда специфично для нескольких рецепторов. Однако исследователи могут не фокусироваться на таком поведении по сравнению с другими факторами связывания. [31] Тем не менее, неспецифическое поведение связывания является очень важной информацией для получения. Эти оценки измеряются путем изучения того, как лиганд связывается с рецептором, одновременно реагируя на замещающий агент (антагонист), который будет препятствовать возникновению специфического связывания. [31]
Специфические типы связывания с лигандными и рецепторными взаимодействиями: [30]
Технологии анализа связывания лигандов продолжают совершенствоваться, что связано с увеличением скорости и сохранением рентабельности процедур при сохранении и повышении точности и чувствительности. [9] Некоторые технологические достижения включают новые связывающие реагенты в качестве альтернативы антителам, [9] альтернативные растворы красителей и системы микропланшетов, а также разработку метода, позволяющего пропустить этап фильтрации, который требуется во многих процессах анализа связывания лигандов. [16]
Значимой сигнальной молекулой в клетках является кальций (Ca 2+ ), который можно обнаружить с помощью ацетоксиметилового красителя Fluo-4 . Он связывается со свободными ионами Ca 2+ , которые, в свою очередь, немного увеличивают флуоресценцию Fluo-4 AM. [16] Недостатком формулы красителя Fluo-4 является то, что для удаления внеклеточного красителя требуется этап промывки, который может давать нежелательные фоновые сигналы. Например, промывка создает дополнительную нагрузку на клетки, а также отнимает время, что препятствует своевременному анализу. [16] Недавно была разработана альтернативная система раствора красителя и микропланшета под названием FLIPR® (флуориметрический считыватель пластин), которая использует реагент для анализа Calcium 3, не требующий этапа промывки. В результате изменение флуоресценции красителя можно просматривать в режиме реального времени без задержки с помощью возбуждающего лазера и устройства с зарядовой связью . [16]
Многие анализы связывания лигандов требуют этапа фильтрации для разделения связанных и несвязанных лигандов перед скринингом. Недавно был разработан метод, называемый анализом сцинтилляционной близости (SPA), который устраняет этот иначе важный этап. Он работает через кристаллические решетчатые бусины, которые покрыты молекулами связывания лигандов и заполнены ионами церия . Они испускают вспышки света при стимуляции изотопом, который можно легко измерить. Лиганды радиоактивно маркируются с использованием либо 3H, либо 125I и высвобождаются в анализ. Поскольку только радиолиганды, которые напрямую связываются с бусинами, инициируют сигнал, свободные лиганды не мешают процессу скрининга. [16]
По своей природе анализы должны проводиться в контролируемой среде in vitro, поэтому этот метод не дает информации о связывании рецепторов in vivo. Полученные результаты могут только подтвердить, что определенный лиганд подходит рецептору, но анализы не дают возможности узнать распределение рецепторов, связывающих лиганды, в организме.
Связывание лиганда и распределение рецепторов in vivo можно изучать с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая работает путем индукции радионуклида в лиганд, который затем высвобождается в тело изучаемого организма. Радиоактивно меченые лиганды пространственно локализуются с помощью ПЭТ-сканера для выявления областей в организме с высокой концентрацией рецепторов. [16]