Введение
Микромассив белков (или белковый чип) – это высокопроизводительный метод, используемый для отслеживания взаимодействий и активности белков, а также для определения их функций в больших масштабах. Главное преимущество метода заключается в возможности параллельного анализа большого количества белков. Чип состоит из подложки, такой как стеклянный слайд, нитроцеллюлозная мембрана, бусины или микротитровая пластина, к которой прикреплен массив белков-захватчиков. К массиву добавляют молекулы-зонды, обычно меченые флуоресцентным красителем. Любая реакция между зондом и иммобилизованным белком приводит к излучению флуоресцентного сигнала, который считывается лазерным сканером. Протеиновые микромассивы отличаются высокой скоростью, автоматизацией, экономичностью и чувствительностью, требуя небольшого количества образцов и реагентов. Концепция и методология протеиновых микромассивов впервые были представлены и продемонстрированы на примере микромассивов антител (также называемых антительными матрицами) в 1983 году в научной публикации и ряде патентов. Высокопроизводительная технология, лежащая в основе белковых микромассивов, относительно легко была разработана, поскольку она основана на технологиях, разработанных для ДНК-микромассивов, которые стали наиболее широко используемыми микромассивами.
Мотивация к развитию
Протеиновые микрочипы были разработаны в связи с ограничениями использования ДНК-микрочипов для определения уровней экспрессии генов в протеомике. Количество мРНК в клетке часто не отражает уровни экспрессии соответствующих белков. Поскольку функциональную роль в клеточном ответе обычно выполняет именно белок, а не мРНК, потребовался новый подход. Кроме того, посттрансляционные модификации, которые часто критически важны для определения функции белка, не обнаруживаются на ДНК-микрочипах. Протеиновые микрочипы приходят на смену традиционным методам протеомики, таким как двухмерный гель-электрофорез или хроматография, которые были трудоемкими, требовали больших затрат времени и не подходили для анализа белков с низкой концентрацией.
Создание массива
Белки наносятся на твердую поверхность, такую как микроскопические слайды, мембраны, шарики или микротитровальные пластины. Функция этой поверхности – обеспечить поддержку, на которую белки могут быть иммобилизованы. Она должна демонстрировать максимальные свойства связывания, сохраняя при этом белок в его нативной конформации, чтобы его способность к связыванию оставалась неизменной. Микроскопические слайды из стекла или кремния – популярный выбор, поскольку они совместимы с легкодоступными роботизированными устройствами для нанесения покрытий и лазерными сканерами, разработанными для технологии ДНК-микромассивов. Нитроцеллюлозные слайды широко признаны в качестве субстрата с наилучшей способностью к связыванию белков для применения в белковых микромассивах. Выбранная твердая поверхность затем покрывается слоем, который должен одновременно выполнять функции иммобилизации белка, предотвращения его денатурации, ориентации в нужном направлении для обеспечения доступности центров связывания и создания гидрофильной среды, в которой может происходить реакция связывания. Также необходимо минимизировать неспецифическое связывание для уменьшения фонового шума в системах детекции. Кроме того, покрытие должно быть совместимо с различными системами детекции. В качестве иммобилизирующих агентов используются слои алюминия или золота, гидрофильные полимеры и полиакриламидные гели, а также обработка аминами, альдегидами или эпоксидами. Для нанесения покрытия на поверхность опоры применяются технологии нанесения тонких пленок, такие как физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Водная среда необходима на всех этапах производства и эксплуатации микромассивов для предотвращения денатурации белков. Поэтому буферы для образцов содержат высокий процент глицерина (для снижения температуры замерзания), а влажность в производственной среде тщательно регулируется. Микролунки обладают двойным преимуществом: обеспечивают водную среду и предотвращают перекрестное загрязнение между образцами. В наиболее распространенном типе белковых микромассивов роботы наносят большое количество белков или их лигандов на покрытую твердую опору в заранее заданном рисунке. Этот процесс известен как роботизированная контактная печать или роботизированное нанесение пятен. Другой метод изготовления – струйная печать, бесконтактный метод нанесения белковых полимеров на твердую поверхность по требованию в нужном рисунке. Пьезоэлектрическое нанесение пятен – метод, аналогичный струйной печати. Печатная головка перемещается по микромассиву, и в каждой точке использует электрическую стимуляцию для доставки молекул белка на поверхность через крошечные сопла. Это также бесконтактный процесс. Фотолитография – четвертый метод нанесения белков на поверхность. Свет используется в сочетании с фотомасками – непрозрачными пластинами с отверстиями или прозрачными пленками, которые пропускают свет в заданном рисунке. Затем серия химических обработок позволяет осадить белок в нужном рисунке на материал под фотомаской. Молекулы захвата, нанесенные на твердую поверхность, могут быть антителами, антигенами, аптамерами (лиганды на основе нуклеиновых кислот), аффибодами (небольшие молекулы, разработанные для имитации моноклональных антител) или полноразмерными белками. Источниками таких белков являются системы экспрессии рекомбинантных белков на основе клеток, очистка из природных источников, производство in vitro с помощью систем клеточной свободной трансляции и синтетические методы получения пептидов. Многие из этих методов могут быть автоматизированы для высокопроизводительного производства, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать условий синтеза или экстракции, которые приводят к денатурированному белку, который, поскольку он больше не распознает своего партнера по связыванию, делает микромассив бесполезным. Белки очень чувствительны к изменениям в микроокружении. Это создает проблему поддержания стабильности белковых микромассивов в течение длительного времени. In situ методы – изобретенные и опубликованные Мингюэ Хе и Майклом Тауссигом в 2001 году – включают синтез белков на чипе по мере необходимости, непосредственно из ДНК с использованием систем клеточной свободной экспрессии белков. Поскольку ДНК является высокостабильной молекулой, она не разрушается со временем и поэтому подходит для длительного хранения. Этот подход также выгоден тем, что позволяет избежать трудоемких и часто дорогостоящих процессов отдельной очистки белков и клонирования ДНК, поскольку белки синтезируются и иммобилизуются одновременно за один шаг на поверхности чипа. Примерами in situ техник являются PISA (белок in situ array), NAPPA (nucleic acid programmable protein array) и DAPA (DNA array to protein array).
Типы массивов
Существует три типа белковых микромассивов, которые в настоящее время используются для изучения биохимической активности белков. Аналитические микромассивы также известны как массивы захвата. В этой технике на поверхности носителя наносится библиотека антител, аптамеров или аффибоди. Они используются в качестве молекул захвата, поскольку каждая из них специфически связывается с определенным белком. Массив исследуют сложным белковым раствором, например, клеточным лизатом. Анализ полученных реакций связывания с использованием различных систем детекции может предоставить информацию об уровнях экспрессии конкретных белков в образце, а также измерениях аффинности связывания и специфичности. Этот тип микромассива особенно полезен для сравнения экспрессии белков в различных образцах. Например, реакцию клеток на определенный фактор можно определить, сравнивая лизаты клеток, обработанных конкретными веществами или выращенных в определенных условиях, с лизатами контрольных клеток. Другое применение – в идентификации и профилировании пораженных тканей. В микромассивах белков обращенной фазы (RPPA) используются сложные образцы, такие как лизаты тканей. Клетки выделяют из различных интересующих тканей и лизируют. Лизат наносят на микромассив и исследуют антителами к целевому белку. Эти антитела обычно обнаруживают с помощью хемолюминесцентных, флуоресцентных или колориметрических анализов. На слайды наносят референтные пептиды для количественной оценки содержания белка в лизатах образца. RPPA позволяют определить наличие измененных белков или других агентов, которые могут быть следствием заболевания. В частности, посттрансляционные модификации, которые обычно изменяются в результате заболевания, можно обнаружить с помощью RPPA.
Функциональные микромассивы белков
Функциональные белковые микромассивы (также известные как массивы-мишени для белков) создаются путем иммобилизации большого количества очищенных белков и используются для идентификации взаимодействий между белками, белками и ДНК, белками и РНК, белками и фосфолипидами, белками и малыми молекулами, для определения ферментативной активности, а также для обнаружения антител и оценки их специфичности. Они отличаются от аналитических массивов тем, что функциональные белковые массивы состоят из массивов, содержащих полноразмерные функциональные белки или белковые домены. Эти белковые чипы используются для изучения биохимической активности всего протеома в одном эксперименте. Ключевым элементом любого анализа на основе функционального белкового микромассива является то, что белки, нанесенные на массив, должны сохранять свою нативную структуру, чтобы на поверхности массива могли происходить значимые функциональные взаимодействия. Преимущества контроля точного способа иммобилизации с использованием подходящего аффинного тега заключаются в том, что иммобилизованные белки будут иметь однородную ориентацию, что приведет к более высокой удельной активности и более высокому отношению сигнал/шум в анализах, а также к уменьшению влияния неспецифических взаимодействий.
Обнаружение
Методы детекции белковых массивов должны обеспечивать высокий сигнал и низкий фон. Наиболее распространенным и широко используемым методом детекции является флуоресцентная маркировка, отличающаяся высокой чувствительностью, безопасностью и совместимостью с широко доступными лазерными сканерами для микромассивов. Могут применяться и другие метки, такие как аффинные, фотохимические или радиоизотопные. Эти метки присоединяются непосредственно к зонду и могут мешать реакции взаимодействия зонда с целевым белком. Поэтому существует ряд методов детекции без использования меток, таких как поверхностный плазмонный резонанс (SPR), углеродные нанотрубки, датчики на основе углеродных нанопроводов (где детекция происходит за счет изменения проводимости) и микроэлектромеханические системы (MEMS) – кантилеверы. Все эти методы детекции без меток относительно новы и пока не подходят для высокопроизводительной детекции белковых взаимодействий, однако они весьма перспективны для будущего. Иммуноанализы на микроструктурированных подложках из тиола и "синтетической бумаги" показали возможность генерации превосходного флуоресцентного сигнала. Для количественного определения белков на стеклянных подложках, покрытых нитроцеллюлозой, можно использовать детекцию в ближней инфракрасной области. Это снижает влияние помех, вызванных автофлуоресценцией нитроцеллюлозы в ультрафиолетовом диапазоне, используемом для стандартных флуоресцентных зондов.
Приложения
Существует пять основных областей применения белковых массивов: диагностика, протеомика, функциональный анализ белков, характеристика антител и разработка методов лечения. Диагностика включает в себя обнаружение антигенов и антител в образцах крови, профилирование сывороток для выявления новых биомаркеров заболеваний, мониторинг состояния заболеваний и реакции на терапию в персонализированной медицине, а также мониторинг окружающей среды и продуктов питания. Цифровой биоанализ является примером использования белковых микромассивов в диагностических целях. В этой технологии на стеклянном/полимерном чипе создается массив микролунок, который засевается магнитными частицами (покрытыми флуоресцентно-мечеными антителами), подвергается воздействию целевых антигенов, а затем анализируется под микроскопом путем подсчета флуоресцирующих лунок. Недавно была продемонстрирована экономически эффективная платформа для изготовления таких массивов микролунок (с использованием полимеров OSTE), и модельная система биоанализа была успешно охарактеризована. Протеомика связана с профилированием экспрессии белков, то есть определением того, какие белки экспрессируются в лизате конкретной клетки. Функциональный анализ белков включает в себя идентификацию белок-белковых взаимодействий (например, определение компонентов белковых комплексов), белок-фосфолипидных взаимодействий, малых молекулярных мишеней, ферментативных субстратов (особенно субстратов киназ) и лигандов рецепторов. Характеристика антител включает определение перекрестной реактивности, специфичности и картирование эпитопов. Разработка методов лечения подразумевает создание антиген-специфических терапий для аутоиммунных заболеваний, рака и аллергии, а также выявление малых молекулярных мишеней, которые потенциально могут быть использованы в качестве новых лекарственных препаратов.
Вызовы
Несмотря на значительные инвестиции, сделанные несколькими компаниями, протеиновые чипы до сих пор не заполонили рынок. Производители обнаружили, что с белками довольно сложно работать. Производство надежных, воспроизводимых, высокопроизводительных белков, которые правильно сворачиваются и функционируют, сопряжено с трудностями, поскольку это часто приводит к низкому выходу белка из-за снижения растворимости и образования тельцев включений. Для создания протеинового чипа требуется гораздо больше этапов, чем для создания ДНК-чипа. Существует ряд подходов к решению этой проблемы, которые принципиально различаются в зависимости от того, иммобилизуются ли белки посредством неспецифических, слабо определенных взаимодействий или посредством конкретного набора известных взаимодействий. Первый подход привлекателен своей простотой и совместим с очищенными белками, полученными из нативных или рекомбинантных источников, но сопряжен с рядом рисков. Наиболее существенные из них связаны с неконтролируемым характером взаимодействий между каждым белком и поверхностью; в лучшем случае это может привести к гетерогенной популяции белков, в которой активные центры иногда блокируются поверхностью; в худшем случае это может полностью уничтожить активность из-за частичного или полного разворачивания иммобилизованного белка, опосредованного поверхностью. К задачам относятся: 1) поиск поверхности и метода присоединения, позволяющего белкам сохранять свою вторичную или третичную структуру и, следовательно, свою биологическую активность и взаимодействие с другими молекулами; 2) создание массива с длительным сроком годности, чтобы белки на чипе не денатурировали в короткие сроки; 3) идентификация и выделение антител или других лигандов для каждого белка в геноме человека; 4) количественное определение уровней связанного белка, обеспечивая чувствительность и избегая фонового шума; 5) извлечение обнаруженного белка из чипа для дальнейшего анализа; 6) снижение неспецифического связывания лигандов; 7) емкость чипа должна быть достаточной для максимально полного представления протеома; белки высокой концентрации подавляют обнаружение менее распространенных белков, таких как сигнальные молекулы и рецепторы, которые обычно представляют больший терапевтический интерес.