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Method Article
Descrevemos uma plataforma de imunoensaio recentemente desenvolvida com base nos princípios da biologia sintética livre de células e na técnica de dot-blot para detecção personalizável da resposta de anticorpos em soros humanos e animais.
A série de surtos patogênicos globais nas últimas duas décadas destacou a importância das estratégias de sorovigilância. As plataformas de imunoensaio que servem para detectar anticorpos específicos da doença no soro dos pacientes estão no centro da sorovigilância. Exemplos comuns incluem ensaios de imunoabsorção enzimática e ensaios de fluxo lateral; No entanto, embora esses sejam métodos padrão-ouro, eles exigem consumíveis específicos para patógenos e equipamentos especializados, o que limita seu uso fora de laboratórios com bons recursos.
Recentemente, desenvolvemos uma nova plataforma de imunoensaio chamada Cell-Free Dot-Blot (CFDB) e a validamos usando soros humanos e animais contra SARS-CoV-2. Ao contrário dos imunoensaios convencionais, as amostras de soro de pacientes com CFDB são imobilizadas em uma fase sólida (membrana de nitrocelulose), enquanto o antígeno alvo é suspenso na fase móvel do ensaio. Para melhorar o acesso aos recursos de sorovigilância, os antígenos CFDB são produzidos sob demanda e com infraestrutura de baixa carga usando a expressão de proteínas in vitro . Aqui, o antígeno é fundido com uma marca peptídica que pode ser detectada usando uma única proteína repórter universal para qualquer ensaio de CFDB. O resultado é que o CFDB não requer acesso a um leitor de placas de vários poços ou componentes de ensaios moleculares comerciais purificados. Com essas considerações de design, o CFDB aborda as deficiências das plataformas de imunoensaio existentes, fornecendo acessibilidade a laboratórios não centralizados, adaptabilidade para patógenos emergentes e acessibilidade para comunidades de baixa renda.
No artigo atual, forneceremos um protocolo passo a passo para preparar e realizar um imunoensaio CFDB. Usando nosso trabalho recente sobre SARS-CoV-2 CFDB como exemplo, abordaremos o projeto de DNA de antígeno para produção livre de células sob demanda, seguido pela preparação da proteína repórter CFDB, imobilização de amostras de soro na fase sólida e, finalmente, etapas de ligação e detecção de antígeno do ensaio. Prevemos que, seguindo essas instruções, os pesquisadores serão capazes de adaptar o ensaio CFDB para detectar respostas imunes em soros humanos e animais a qualquer patógeno.
A pandemia de COVID-19 revelou a necessidade crítica de ferramentas de diagnóstico acessíveis e escaláveis, principalmente para ambientes com poucos recursos1. Os imunoensaios convencionais, como os ensaios imunoenzimáticos (ELISAs), têm se mostrado essenciais para a detecção de respostas imunes 2,3. No entanto, seu alto custo, dependência de reagentes complexos e dependência de equipamentos especializados limitam sua acessibilidade, especialmente durante crises globais de saúde. Em resposta a esses desafios, desenvolvemos o Cell-Free Dot Blot (CFDB), uma plataforma de imunoensaio adaptável e de baixo custo projetada para a detecção de anticorpos anti-SARS-CoV-2 em soros humanos e animais.
O CFDB aproveita a biologia sintética livre de células para a produção rápida e sob demanda de antígenos virais usando modelos lineares de DNA 4,5. Isso elimina a necessidade de processos tradicionais de clonagem, expressão e purificação baseados em células, acelerando significativamente a produção de antígenos e reduzindo custos. O método CFDB simplifica a detecção de anticorpos usando um formato dot blot, onde os soros são detectados diretamente nas membranas de nitrocelulose. Este sistema evita a necessidade de placas caras de vários poços e equipamentos de laboratório especializados, permitindo um fluxo de trabalho simples de "imersão" para as etapas de incubação e lavagem. A plataforma também utiliza um sistema SpyCatcher-SpyTag, onde uma quimera de peroxidase SpyCatcher2-Apex2 atua como um reagente de detecção secundária universal 5,6. Isso é produzido usando a expressão padrão baseada em Escherichia coli, que elimina a dependência de conjugados de anticorpos comerciais caros. Como resultado, o sistema CFDB pode realizar ensaios sorológicos com desempenho comparável aos ELISAs a um custo significativamente menor - cerca de US$ 3 por ensaio de 96 amostras em comparação com mais de US$ 300 para um kit ELISA comercial5.
Para demonstrar a eficácia do CFDB, testamos sua capacidade de detectar anticorpos em soros humanos e animais pré-caracterizados. Nossos resultados se correlacionaram estreitamente com o ELISA na identificação de amostras positivas e negativas para COVID-19. Além do diagnóstico humano, avaliamos a utilidade do CFDB em modelos animais, testando soros de hamsters infectados com SARS-CoV-2 e aqueles vacinados com proteína recombinante do nucleocapsídeo. Esses testes confirmaram o potencial do CFDB para uso em diagnósticos humanos e veterinários, tornando-o uma ferramenta versátil para monitorar as respostas imunológicas entre as espécies. Uma das principais vantagens do CFDB é sua flexibilidade. Simplesmente modificando o modelo de DNA que codifica o antígeno de interesse, a plataforma pode ser rapidamente adaptada para detectar anticorpos contra diferentes patógenos, tornando-a valiosa para a preparação para futuras pandemias. Seu baixo custo, fluxo de trabalho simples e requisitos mínimos de infraestrutura o tornam particularmente adequado para laboratórios descentralizados e ambientes de poucos recursos, onde o acesso a diagnósticos comerciais é limitado.
Neste trabalho, forneceremos instruções passo a passo para preparar e conduzir um ensaio CFDB. Primeiro, cobrimos o design e a síntese de modelos lineares de DNA para a produção de antígenos livres de células, que são os principais reagentes de detecção do ensaio. Em seguida, descrevemos as etapas para a preparação do reagente de detecção secundária do ensaio, SpyCatcher2-Apex2. Depois disso, fornecemos instruções para a produção livre de células e verificação de qualidade dos próprios antígenos. Finalmente, descrevemos em detalhes o processo para a realização de um ensaio CFDB em amostras de soro humano ou animal.
Todos os experimentos com hamsters foram realizados no Laboratório Nacional de Microbiologia (NML) da Agência de Saúde Pública do Canadá, aprovados pelo Centro Canadense de Ciências para Saúde Humana e Animal e seguindo as diretrizes do Conselho Canadense de Cuidados com Animais. Todas as amostras de soro/plasma humano foram obtidas comercialmente para testes internos ou fornecidas por colaboradores clínicos ao NML para testes independentes no NML.
1. Conceção e preparação de modelos de expressão linear de antigénio (LETs)
Figura 1: Modelo de expressão linear para SARS-CoV-2-NP. Um esquema representando as características do modelo de DNA linear His-SpyTag-SARS-CoV-2 NP. Os principais elementos do molde de DNA são rotulados. A sequência de codificação da proteína de interesse, aqui a NP, é colocada sob o controle transcricional de um promotor T7 para expressão eficiente. No terminal N, a proteína NP é anexada com um SpyTag para detecção específica usando o reagente de detecção SpyCatcher2-Apex2. Os locais de protease x6His-tag e TEV, embora incluídos como parte do projeto geral do LET, são dispensáveis para fins de CFDB. Nos terminais do molde de DNA linear, os sítios Ter "a montante" e "a jusante", cada um precedido pelas respectivas sequências tampão de 50 pares de bases, são incluídos para proteção mediada por Tus contra a degradação do DNA exonucleolítico no lisado livre de células. Abreviaturas: NP = proteína do nucleocapsídeo; LET = modelo de expressão linear; TEV = vírus da corrosão do tabaco; CFDB = dot blot livre de células. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Purificação da proteína repórter SpyCatcher2-Apex2
3. Produção sem células e verificação da qualidade dos antigénios
4. Amostras de soro
5. Procedimento de Cell-free Dot Blot (CFDB)
Figura 2: Montagem CFDB. Um esquema da grade mestre CFDB e da configuração da montagem da membrana NC. A grade mestra é sobreposta à membrana NC para fornecer um padrão regular e endereçável para detecção e imobilização de amostras de soro. Abreviaturas: CFDB = dot blot livre de células; NC = nitrocelulose. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Uma representação esquemática do fluxo de trabalho do CFDB. Em um ensaio CFDB, uma pequena quantidade (<0,4 μL) de amostras de soro diluídas 10x é dispensada manualmente em uma membrana de nitrocelulose pré-cortada (painel esquerdo) em locais discretos e endereçáveis (painel do meio). Depositar uma amostra de soro por ponto em pontos triplicados e imobilizar o conteúdo proteico, incluindo o reservatório total de anticorpos do soro, no substrato NC sólido (pontos bege no painel central). Neste exemplo, os anticorpos anti-NP contidos nas amostras de soro podem ser primeiro ligados pelo reagente de detecção primária CFDB SpyTag-NP e, finalmente, detectados pelo reagente de detecção secundária CFDB SpyCatcher2-Apex2 (bolha ampliada no painel direito). Essa figura foi retirada de Norouzi et al.5. Abreviaturas: CFDB = dot blot livre de células; NP = proteína do nucleocapsídeo; LET = modelo de expressão linear. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Amplificação por PCR do modelo de expressão linear para antígeno alvo
Para amplificar o SARS-CoV-2 NP LET, foram utilizados primers universais Ter direto e reverso conforme descrito na seção 1.2 do protocolo e 1 μL do produto foi verificado em um gel de agarose (Figura 4) antes de prosseguir para a purificação do produto de PCR.
A COVID-19 destacou a importância de diagnósticos acessíveis e robustos para controlar surtos de infecção e otimizar estratégias globais de saúde. A testagem sorológica que detecta anticorpos protetores mostrou-se essencial para rastrear padrões de transmissibilidade de novas variantes, identificar pontos quentes, orientar o desenvolvimento de vacinas, fazer a triagem de casos suspeitos e proteger populações vulneráveis14. A pandemia também expôs des...
M.N. e K.P. são co-inventores do método de dot blot sem células. Foi depositado um pedido provisório de patente relacionado a este trabalho (PCT/CA2024/050097, depositado em janeiro de 2024).
SS e RZ são apoiados por financiamento da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), Contrato nº N66001-23-2-4042. As visões, opiniões e/ou descobertas expressas são de responsabilidade dos autores e não devem ser interpretadas como representando as visões ou políticas oficiais do Departamento de Defesa ou do governo dos EUA. Este trabalho foi apoiado por fundos para K.P. do programa de subsídios da Fundação CIHR (201610FDN-375469), Programa de Cátedra de Pesquisa do CIHR Canadá (950-231075 e 950-233107), Iniciativa de Medicina por Design da Universidade de Toronto, que recebe financiamento do Fundo de Excelência em Pesquisa do Canadá e fundos para K.P., do Programa de Segurança e Proteção do Canadá de Pesquisa e Desenvolvimento de Defesa do Canadá (contrato 39903-200137). A Figura 1 e a Figura Suplementar S1 foram criadas usando o SnapGene Viewer.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 kb DNA ladder | NEB | N3232 | Used as a size marker for agarose gels |
20 Amino acids | Sigma-Aldrich | LAA21-1KT | A component of the cell-free reaction Solution B |
2 mm biopsy punch | Integra Miltex | 33-31-P/25 | For preparation of CFDB master grid |
5-aminolevulinic acid hydrochloride | Sigma-Aldrich | A3785 | Heme precursor for induction of SpyCatcher2-Apex2 |
Agarose powder | BioShop | AGA002 | For electrophoretic analysis of DNA |
Anti-SARS-CoV2-Nucleocapsid antibody | Sinobiological | 40588-T62 | For WB detection of cell-free produced NP antigen |
Bio-Rad ChemiDoc XRS+ | Bio-Rad | N/A | Gel imager instrument |
Centrifugal concentrators | Cytiva | 28-9323-60 | For concentration and buffer exchange of proteins |
Centrifuge | Eppendorf | EP022628257 | For harvesting bacterial culture |
Coenzyme A sodium salt hydrate (CoA) | Sigma-Aldrich | C3144 | A component of the cell-free reaction Solution A |
Color pre-stained protein standard (broad range) | NEB | P7719 | Used as a size marker for SDS-PAGE gels |
Covid-19 serum panel | RayBiotech | CoV-PosSet | Pre-characterised sera for verification and optimisation of CFDB reagents/conditions |
D-(−)-3-Phosphoglyceric acid disodium salt (3-PGA) | Sigma-Aldrich | P8877 | A component of the cell-free reaction Solution B |
Dithiothreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | 10197777001 | Component of buffers |
E. coli 5-alpha | NEB | C2987 | for plasmid preparation |
E. coli BL21 | NEB | C2530 | For preparation of cell-free lysates |
E. coli BL21 (DE3) | NEB | C2527 | For expression of SpyCatcher2-Apex2 |
EDTA-free protease inhibitor tablet | Sigma-Aldrich | 11836153001 | A component of E. coli lysis buffer |
Eppendorf New Brunswick Innova 43/43R Incubator Shaker | Eppendorf | EPM1320 | Incubator for growing E. coli cells for protein expression and cell-free lysate preparation |
Folinic acid | Sigma-Aldrich | 47612 | A component of the cell-free reaction Solution A |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G9012 | Component of SpyCatcher2-Apex2 storage buffer |
Hemin chloride | Sigma-Aldrich | H9039 | For Heme supplementation of SpyCatcher2-Apex2 |
Hydrogen peroxide 30% | Sigma-Aldrich | H1009 | For making ECL reagent |
Image Lab Software | Bio-Rad | 1709690 | Software for ChemiDoc gel imaging instrument |
Isopropyl-b-D-1-thiogalactopyranoside | Bioshop | IPT001 | For induction of SpyCatcher2-Apex2 expressikon |
Kanamycin Sulfate | Sigma-Aldrich | 60615 | For preparation of SpyCatcher2-Apex2 bacterial culture |
LB agar | BioShop | LBL406 | For E. coli growth |
LB broth | BioShop | LBL407 | For E. coli growth |
luminol | Sigma-Aldrich | A4685 | For making ECL reagent |
Lysozyme | Sigma-Aldrich | L6876 | For lysis of bacterial cells |
Magnesium Acetate | Sigma-Aldrich | M5661 | A component of the cell-free reaction Solution B |
NEBExpress Ni resin | NEB | S1428S | For purification of SpyCatcher2-Apex2 |
Non-fat dry milk | Bioshop | SKI400 | For blocking of WB and CFDB membranes |
Parafilm | Bemis | 2099-1337410 | For ECL-incubation of CFDB blots |
p-coumaric acid | Sigma-Aldrich | C9008 | For making ECL reagent |
pET24b-SpyCatcher2-Apex2 plasmid | Pardee Laboratory | N/A | Used for the expression of SpyCatcher2-Apex2 protein |
Petri dish | Fisherbrand | FB0875712 | Container for WB and CFDB membrane incubation |
Phosphate buffered saline 10% | BioShop | PBS405 | Component of buffers |
Potassium Glutamate | Sigma-Aldrich | G1501 | A component of the cell-free reaction Solution B |
Potassium Oxalate Monohydrate (Oxalic acid) | Sigma-Aldrich | 223425 | A component of the cell-free reaction Solution A |
Precast SDS-PAGE gel | BioRad | 4561036EDU | For electrophoretic analysis of protein |
Q5 high-fidelity DNA polymerase | NEB | M0491 | For PCR amplification of LETs |
QIAquick PCR purification kit | Qiagen | 28106 | For purification of LETs |
Ribonucleotide Solution Set | NEB | N0450S | A component of the cell-free reaction Solution A |
Skim milk powder | BioShop | SKI400 | Used as a blocking agent for western blot and CFDB |
Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | S9625 | A component of protein purification buffers |
Sonicator | Qsonica | Q500 | For lysis of bacterial cells |
Spermidine | Sigma-Aldrich | S2626 | A component of the cell-free reaction Solution A |
Syringe filter | Sigma-Aldrich | SLGSR33SS | For sterilisation of buffers and solutions |
Thermocycler | BioRad | T100 | Instrument for incubating PCR reactions |
Transfer RNA (tRNA) | Sigma-Aldrich | R8759 | A component of the cell-free reaction Solution A |
Tris buffered saline | Thermo Scientific | J60764.K2 | Component of WB and CFDB wash buffer |
Trizma base | Sigma-Aldrich | T1503 | For making tris buffer |
Tunair SS-5012 Half-Baffle Shake Flask, 2.5 L | Cole-Parmer | RK-01835-39 | Vessel for growing E. coli cells for protein expression and cell-free lysate preparation |
Tween-20 | BioShop | TWN510 | Component of WB and CFDB wash buffer |
Tweezer | Almedic | 7728-A10-100 | For handling CFDB NC membrane |
UV-Vis spectrophotometer | Thermo Scientific | 13400518 | Used for the measurement of nucleic acid and DNA concentration and bacterial culture OD |
WHO International Reference Panel for anti-SARS-CoV-2 immunoglubulin | NISBC | 20/268 | Pre-characterised sera for verification and optimisation of CFDB reagents/conditions |
β-Nicotinamide adenine dinucleotide hydrate (NAD) | Sigma-Aldrich | 10127965001 | A component of the cell-free reaction Solution A |
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