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Method Article
Dieses Protokoll beschreibt einen Blockade-Assay für PD-1/PD-L1-Inhibitoren unter Verwendung der Oberflächenplasmonenresonanz-Technologie. Es verwendet eine zweistufige Immobilisierungsstrategie und ein maßgeschneidertes Puffersystem, um die Reaktionseinheiten genau zu messen und die Beurteilung der Blockaderaten für Verbindungen oder Biologika zu erleichtern. Darüber hinaus unterstützt es die Hochdurchsatz-Identifizierung von PD-1/PD-L1-Inhibitoren.
Die Störung der PD-1/PD-L1-Interaktion ist eine vielversprechende Strategie für die Krebsimmuntherapie. Zuverlässige Screening-Plattformen sind für die Bewertung der Wirksamkeit von PD-1/PD-L1-Inhibitoren unerlässlich. Ein zuvor etablierter humaner PD-1/PD-L1-Blockade-Assay unter Verwendung der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Technologie (PD-1/PD-L1-Inhibitor-SPR-Screening-Plattform der ersten Generation) zeigte Ergebnisse, die mit denen vergleichbar sind, die durch homogene zeitaufgelöste Fluoreszenz (HTRF) und zellbasierte Assays erzielt wurden, mit Potenzial für ein groß angelegtes Screening. Darin wird eine optimierte Version dieses Assays (PD-1/PD-L1-Inhibitor-SPR-Screening-Plattform der zweiten Generation) vorgestellt, die einen zweistufigen Kopplungsprozess aufweist, der Amin- und Bio-Streptavidin-Kopplung kombiniert, um die PD-1-Orientierungskontrolle auf dem Chip zu verbessern und den PD-1-Proteinverbrauch zu reduzieren. Die aktualisierte Plattform wurde erfolgreich mit dem PD-1/PD-L1-Inhibitor BMS-1166 validiert und zeigte Blockadeeffekte, die mit der bisherigen SPR-basierten Methode und anderen etablierten Techniken wie ELISA vergleichbar sind. Diese Ergebnisse bestätigen die Zuverlässigkeit des Ansatzes. Diese optimierte SPR-Screening-Plattform bietet ein zuverlässiges Hochdurchsatzwerkzeug für die Identifizierung neuartiger PD-1/PD-L1-Inhibitoren, die Weiterentwicklung der Krebsimmuntherapieforschung und die Hervorhebung des Potenzials von SPR beim Immun-Checkpoint-Inhibitor-Screening.
Immun-Checkpoint-Blockade-Therapien, insbesondere solche, die auf den programmierten Zelltod-1 (PD-1) und den programmierten Zelltod-Liganden 1 (PD-L1) abzielen, stehen an der Spitze der Krebsimmuntherapie-Strategien. Anti-PD-1/PD-L1-Therapien haben die Zulassung für den Einsatz bei verschiedenen Krebsarten wie hämatologischen, Haut-, Lungen-, Leber-, Harnblasen- und Nierenkrebserhalten 1. PD-1 ist ein Transmembran-Glykoprotein, das zur Immunglobulin-Superfamilie gehört und sich durch eine einzelne Immunglobulin-variable (IgV)-ähnliche Domäne am N-Terminus, einen etwa 20-Aminosäure-Stiel, der die IgV-Domäne von der Plasmamembran trennt, eine Transmembrandomäne und einen zytoplasmatischen Schwanz mit Tyrosin-basierten Signalmotivenauszeichnet 2. PD-L1, das als einer der Liganden für PD-1 identifiziert wurde, ist ein Typ-I-Transmembranprotein mit einer Transmembranregion, zwei extrazellulären Domänen - Immunglobulinkonstante (IgC) und IgV - und einer relativ kurzen zytoplasmatischen Domäne, die intrazelluläre Signalwege auslöst3. Der PD-1/PD-L1-Hemmweg dient als kritischer Immun-Checkpoint, der die T-Zell-Aktivierung und Autoimmunität reguliert4. PD-1 wird auf T-Zellen exprimiert, wo es mit PD-L1 interagiert, die Signalübertragung von T-Zell-Rezeptoren hemmt und die Stimulation von CD28- und CD80-Molekülen auf Antigen-präsentierenden Zellen und T-Zellen blockiert5. Krebsgewebe nutzen diesen physiologischen Mechanismus, indem sie PD-L1 während der Escape-Phase überexprimieren und so ein immunsuppressives Milieu schaffen, das das Wachstum und die Progression des Tumors fördert6. Inhibitoren von PD-1 und PD-L1 stören diese Wechselwirkung und ermöglichen es dem Immunsystem, sich der tumorinduzierten Suppression zu entziehen und den T-Zell-vermittelten Tumor-Zelltod-Prozess wieder in Gang zu setzen7.
Aufbauend auf der herausragenden Rolle von Immun-Checkpoint-Blockade-Therapien hat die Entwicklung von PD-1/PD-L1-Inhibitoren einen bedeutenden Fortschritt in der Krebsimmuntherapie markiert. Die U.S. Food and Drug Administration (FDA) hat neun Immun-Checkpoint-Inhibitoren zugelassen, die speziell auf den PD-1/PD-L1-Signalweg abzielen. Dazu gehören sechs PD-1-Inhibitoren - Pembrolizumab, Dostarlimab, Nivolumab, Cemiplimab, Oripalimab und Tislelizumab - und drei PD-L1-Inhibitoren - Atezolizumab, Avelumab und Durvalumab 8,9. Diese Therapien wurden effektiv zur Behandlung einer Vielzahl von Krebsarten eingesetzt, wie z. B. Melanom, Lungenkrebs, Urothelkarzinom, Gebärmutterhalskrebs, Magen- oder Magensophaguskrebs und andere solide Tumoren10. Trotz ihrer Wirksamkeit sind monoklonale Antikörper-basierte Therapien mit erheblichen Einschränkungen konfrontiert, darunter niedrige Ansprechraten, hohe Kosten, verlängerte Halbwertszeiten, schwere immunbedingte unerwünschte Ereignisse und Einschränkungen bei der intravenösen oder subkutanen Verabreichung 11,12,13. Daher konzentriert sich die Forschung zunehmend auf die Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren, die auf die PD-1/PD-L1-Achse abzielen. Diese kleinen Moleküle bieten deutliche Vorteile, wie z. B. eine verbesserte zelluläre Penetration, die Modulation verschiedener biologischer Ziele, eine verbesserte orale Bioverfügbarkeit und reduzierte Kosten, mit dem Ziel, vergleichbare therapeutische Ergebnisse mit weniger Nebenwirkungen zu erzielen14. Die Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren, die auf die PD-1/PD-L1-Interaktion abzielen, befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium, was vor allem auf das Fehlen einer zuverlässigen Hochdurchsatz-Screening-Plattform zurückzuführen ist. Solche Plattformen sind unerlässlich, um große Bibliotheken kleiner Moleküle schnell zu evaluieren und Leitverbindungen für die weitere Validierung und Optimierung zu identifizieren. Die Überwindung dieser Herausforderung ist entscheidend für die Weiterentwicklung der Krebsimmuntherapie.
Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Technologie wird in großem Umfang beim Nachweis verschiedener Biomoleküle, einschließlich Antikörperantigenen, Enzymen, Nukleinsäuren und Arzneimitteln, eingesetzt und ist besonders effektiv beim Screening kleiner molekularer Wirkstoffe15,16. Im Gegensatz zu anderen biophysikalischen Techniken bietet SPR einen markierungsfreien Nachweis, kinetische Echtzeitdaten und einen breiten Nachweisbereich. Im Gegensatz dazu fehlen der isothermen Titrationskalorimetrie kinetische Erkenntnisse in Echtzeit und sie erfordert größere Probenvolumina, was den Durchsatz einschränkt. Die mikroskalige Thermophorese ist anfällig für Pufferinterferenzen und kann keine kinetischen Daten liefern, während die Biolayer-Interferometrie anwendungsspezifische Einschränkungen aufgrund der Molekülgröße und -eigenschaften aufweist. Homogene zeitaufgelöste Fluoreszenz erfordert eine Markierung und ist anfällig für Fluoreszenzinterferenzen. Wir erkennen an, dass HTRF eine weitere geeignete Technologie zur Erforschung von PD-1/PD-L1-Inhibitoren ist. Eine inhärente Einschränkung von HTRF im Vergleich zu SPR ist die Fluoreszenzlöschung, die durch externe Wechselwirkungen mit dem intramolekularen Anregungsprozess (z. B. Elektronentransfer, FRET und Bleichen) verursacht wird, die Empfindlichkeit im Wirkstoffscreening-Prozess aufgrund des kleinen Fensterbereichs zu gering ist und Interferenzen durch fluoreszierende Bibliotheksverbindungen oder biologische Proteineverursacht werden 17. Diese Eigenschaften positionieren SPR als überlegenes Werkzeug für die Wirkstoffforschung. Unsere früheren Studien haben gezeigt, dass SPR in der Lage ist, die Blockadewirkung kleiner Moleküle gegen PD-1/PD-L1 zu bestimmen, was gegenüber anderen Techniken vorteilhaft ist, die hohe Anforderungen an die Markierungstechnologie, mehrere Schritte, schlechte Spezifität und hohe Kosten im Wirkstoffforschungsprozess erfordern18.
In dieser Studie wird eine optimierte SPR-basierte Plattform vorgestellt, die einen zweistufigen Kopplungsprozess integriert, der sowohl Amin- als auch Bio-Streptavidin-Kopplung verwendet, um die PD-1-Orientierung auf dem Chip zu verbessern und den Proteinverbrauch zu minimieren. Dieser aktualisierte Ansatz wurde erfolgreich unter Verwendung des PD-1/PD-L1-Inhibitors BMS-1166 als positives Kontrollbindemittel validiert und zeigte Blockadeeffekte, die sowohl mit unserer vorherigen SPR-Methode als auch mit anderen etablierten Techniken wie ELISA19,20 vergleichbar sind. Dies bestätigt nicht nur die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit unseres Protokolls, sondern verdeutlicht auch die Wirksamkeit unserer modifizierten Plattform bei der Erleichterung des Hochdurchsatz-Screenings von PD-1/PD-L1-Inhibitoren. Die Integration des Bio-Streptavidin-Erfassungsschritts ermöglicht eine ortsgerichtete statt zufällige Proteinorientierung, was eine reduzierte PD-1-Konzentration (40 μg/ml vs. 10 μg/ml) und Kosteneinsparungen ermöglicht, indem der Endbenutzer in die Lage versetzt wird, Streptavidin (SA) auf einem CM5-Chip zu immobilisieren, einer kostengünstigeren Alternative zu kommerzialisierten vorimmobilisierten SA-Chips. Dies macht es vorteilhaft für groß angelegte, kostengünstige Screenings von Substanz-/Peptidbibliotheken. Obwohl zusätzliche Charakterisierungsmethoden, einschließlich In-silico-, In-vitro- und In-vivo-Assays, unerlässlich sind, um das klinische Potenzial von PD-1/PD-L1-Inhibitoren gegen Krebs zu bewerten, zeichnet sich unsere verbesserte SPR-basierte Screening-Plattform als effizientes Werkzeug für das groß angelegte Screening von PD-1/PD-L1-Inhibitoren aus.
Die Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Immobilisierung des Streptavidin (SA)-Proteins auf dem CM5-Chip
2. Immobilisierung des PD-1-Proteins auf dem SA-Chip
3. Regenerations-Scouting für PD-1 und PD-L1
4. Validierung der PD-1/PD-L1-Wechselwirkung
HINWEIS: Zur Validierung wurde ein zuvor veröffentlichter Bericht18 mit geringfügigen Anpassungen befolgt.
5. PD-1/PD-L1-Blockade-Assay mit niedermolekularem Inhibitor: BMS-1166
HINWEIS: Für den Blockade-Assay wurde ein zuvor veröffentlichter Bericht18 mit geringfügigen Anpassungen befolgt.
Immobilisierung von SA auf CM5-Chip
Die Daten wurden über die Ergebnisse des SPR-Instruments und der zugehörigen Analysesoftware analysiert, was auf das erfolgreiche Erreichen des Ziels RU (2000 RU) des SA-Proteins in Flusszelle 1 und Flusszelle 2 hinweist. Die Flusszellen 1 und 2 wurden mit SA (40 μg/ml) auf der CM5-Chipoberfläche immobilisiert, mit einer endgültigen Reaktion von 1902,3 HE auf der Flusszelle 1 (Abbildung 1A...
In den letzten Jahrzehnten haben verschiedene Immuntherapieansätze – darunter Krebsimpfstoffe, Immun-Checkpoint-Inhibitoren und CAR-T-Zelltherapien – die Krebsbehandlung erheblich vorangetrieben21. Immun-Checkpoints spielen eine entscheidende Rolle bei der Verhinderung von Immunzell-vermittelten Kollateralschäden bei pathogenen Reaktionen und bei der Unterdrückung von Autoimmunität. Ein wichtiges Beispiel ist die Interaktion zwischen PD-L1 und PD-1, die ei...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Die Autoren würdigen die RI-INBRE Core Facility an der University of Rhode Island, die durch Grant P20GM103430 des National Center for Research Resources (NCRR), einer Komponente der National Institutes of Health (NIH), unterstützt wird. Diese Forschung wurde durch einen Pilot Grant Award des College of Pharmacy an der University of Rhode Island, einen Small Grant Award des Rhode Island Life Science Hub (RILSH) und einen Grant der Rhode Island Foundation unterstützt, die alle an Chang Liu, Ph.D., vergeben wurden.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
50 mM NaOH | Cytiva Life Sciences | 100358 | |
50 mM NaOH | Fisher Scientific | 905376 | |
96-Well Polystyrene Microplates | Cytiva Life Sciences | BR100503 | |
Amine Coupling Kit | Cytiva Life Sciences | 35120 | |
Biacore T200 SPR System and Evaluation Software 3.2 | Cytiva Life Sciences | 28975001 | |
Biotinylated Human PD-1 Fc, Avitag Protein | Acro Biosystems | PD1-H82F1 | |
BMS1166 | MedChemExpress | HY-102011 | |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 276855 | |
DNase Free Water | Fisher Scientific | 188506 | |
Glycine 1.5 | Cytiva Life Sciences | BR100354 | |
Glycine 2.0 | Cytiva Life Sciences | BR100355 | |
Glycine 2.5 | Cytiva Life Sciences | BR100356 | |
Glycine 3.0 | Cytiva Life Sciences | BR100357 | |
HBS-EP+ Buffer | Cytiva Life Sciences | BR100669 | |
Human PD-L1 Fc Tag Protein | Acro Biosystems | PD-1-H5258 | |
Isopropanol | Fisher Scientific | BP2618-1 | |
Microplate Foil, 96-Well | Cytiva Life Sciences | 28975816 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | 746398 | |
Plastic Vials 7 mm | Cytiva Life Sciences | BR100212 | |
Rubber Caps, Type 3 | Cytiva Life Sciences | BR100502 | |
Series S Sensor Chip CM5 | Cytiva Life Sciences | 29149603 | |
Sodium Acetate 4.5 | Cytiva Life Sciences | 100350 | |
Sodium Acetate 5.0 | Cytiva Life Sciences | 100351 | |
Streptavidin | Sigma-Aldrich | S4762 |
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