核酸適配體是一種短的單鏈DNA或RNA分子,其具有穩(wěn)定性高、結(jié)合能力強(qiáng)、便于修飾、成本低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于制作各種靶標(biāo)分子的生物傳感器。傳統(tǒng)的適配體篩選采用指數(shù)富集法(SELEX),即通過反復(fù)的篩選和擴(kuò)增,從單鏈寡核苷酸庫中富集出與靶標(biāo)結(jié)合的適配體。該方法無法定量生產(chǎn)所需結(jié)合親和力的適配體,且耗時(shí)耗力。近些年來研究者們開發(fā)了如CE-SELEX、Non-SELEX以及M-SELEX等技術(shù),提高了適配體的篩選效率,但仍無法定量生成具有特定結(jié)合親和力的適配體。
近期,美國西北大學(xué)的Shana O. Kelley教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為“Pro-SELEX”的新方法,用于定量分離具有可編程結(jié)合親和力的適配體。該工作以“A high-dimensional microfluidic approach forselection of aptamers with programmable binding affinities”為題,發(fā)表在Nature Chemistry期刊上。
Pro-SELEX的整體流程如圖1a所示,首先將單鏈寡核苷酸庫轉(zhuǎn)化為單克隆適配體粒子(AP),在每個(gè)粒子的表面展示了單個(gè)核酸序列的多個(gè)拷貝,產(chǎn)生AP文庫。然后將其與不同濃度的靶標(biāo)一起進(jìn)行孵育,使用微流控芯片分離具有不同靶結(jié)合水平的AP,進(jìn)行測(cè)序分析,鑒定出具有不同結(jié)合親和力的適配體。具體的分選方法如圖1b所示,AP文庫與生物素化的靶標(biāo)結(jié)合后,再用抗生物素磁性納米顆粒(MNP)去標(biāo)記靶標(biāo),將結(jié)合了靶標(biāo)的適配體粒子賦予磁性,隨后送至微流控裝置中分選。該微流控裝置分為四個(gè)區(qū),當(dāng)外界設(shè)定流量Q相同時(shí),四個(gè)區(qū)域會(huì)因截面積A的不同而展現(xiàn)出不同的流速V(即Q=A*V)。第一區(qū)流速最大,若適配體與靶標(biāo)結(jié)合能力強(qiáng),則其磁性高,磁力能夠克服流體高流速產(chǎn)生的拖曳力,則被保留下來。而親和力較低的適配體粒子因磁性較弱,無法克服拖曳力而被帶到下一個(gè)區(qū)域。后三個(gè)區(qū)域流速遞減,同理可根據(jù)不同的親和力進(jìn)行分選(圖1c, d)。該微流控芯片的流量是可調(diào)整的,具備可編程性(圖1e)。
圖1 微流控方法定量分離不同結(jié)合親和力的適配體
接下來,研究人員將該方法用于分選凝血酶適配體。在核酸文庫中,同種適配體對(duì)靶標(biāo)的親和力存在差異。以03適配體為例,研究人員首先測(cè)試了該微流控芯片是否可以分類不同靶結(jié)合水平的AP(圖2a)。將AP與不同濃度的靶標(biāo)共同孵育并用磁珠標(biāo)記(圖2b),分別在兩種不同的流量下對(duì)這些粒子進(jìn)行分選(圖2c、2d)。在8 mL/h的流量下,高磁性粒子主要被捕獲在芯片的1區(qū),當(dāng)流量增加到16 mL/h時(shí),部分移動(dòng)到2區(qū),而低磁性粒子主要聚集在后面的區(qū),幾乎所有的非靶結(jié)合粒子都在W區(qū)中被檢測(cè)到。上述結(jié)果表明,該微流控芯片能夠根據(jù)AP的靶結(jié)合水平對(duì)其進(jìn)行分類和捕獲,其中靶標(biāo)濃度對(duì)分離效率起著顯著的作用。此外,不同適配體(03和TBA)對(duì)靶標(biāo)的親和力也不同。研究人員分別采用流式細(xì)胞儀(圖2e~2g)及Pro-SELEX芯片篩選(圖2h~2j),結(jié)果也證實(shí)了該芯片能夠分選不同親和力的AP。
圖2 Pro-SELEX分選性能驗(yàn)證
然后,研究人員研究了Pro-SELEX平臺(tái)是否能高效地篩選適配體。以人髓過氧化物酶(MPO)作為模型,AP文庫在5種MPO濃度下以兩種流量進(jìn)行測(cè)試,分離出不同親和力的適配體(圖3a)。結(jié)果表明,該微流控芯片捕獲的AP組分隨著目標(biāo)濃度的降低而減少(圖3b)。而當(dāng)流量升高時(shí),AP庫的分選布局發(fā)生了變化(圖3c),突出了該方法的高分辨率。隨后,研究人員將收集到的DNA文庫進(jìn)行高通量測(cè)序,并創(chuàng)建了一種評(píng)分工具,用于分析適配體的富集倍數(shù)并產(chǎn)生Z分?jǐn)?shù)(圖3d、3e)。此外,研究人員還隨機(jī)選擇了八種適配體測(cè)定其Kd(圖3f),通過曲線擬合發(fā)現(xiàn)它們的Kd值與Z分?jǐn)?shù)之間存在線性關(guān)系(圖3g),表明Z評(píng)分可用于篩選特定親和力的適配體。
圖3 使用Pro-SELEX篩選MPO適配體
最后,研究人員探究了Z分?jǐn)?shù)是否可以用于定量篩選具有所需結(jié)合親和力的適配體。基于Z分?jǐn)?shù)和適配體的Kd值之間的相關(guān)性產(chǎn)生“檢索帶”(圖4a)。通過評(píng)估不同Z分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)多個(gè)適配體的結(jié)合親和力,“十分匹配”的成功率在20%到50%之間。表明在Z分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)測(cè)試不超過5個(gè)候選適配體,就可識(shí)別出一個(gè)具有所需結(jié)合親和力的適配體(圖4b)。MPO的四種特定親和力的適配體成功被篩選出來(圖4c)。
圖4 定量分選具有所需親和力的MPO適配體
總結(jié)來說,該研究開發(fā)了一種新的適配體篩選方法,其能夠高效、定量地生成具有所需結(jié)合親和力的適配體。Pro-SELEX方法具備可編程性,可捕獲從小分子到病毒或細(xì)菌的各種靶標(biāo),具備廣闊的應(yīng)用前景。
責(zé)任編輯:彭菁
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原文標(biāo)題:可編程微流控芯片,用于具有不同結(jié)合親和力適配體的高效、定量篩選
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