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根據(jù)NCBI的ClinVar數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì),包括罕見疾病,如鐮狀細(xì)胞病、地中海貧血和先天性萊伯黑朦等超過(guò)3萬(wàn)7千種已知疾病與致病性單核苷酸變異(SNV)有關(guān),SNV可能導(dǎo)致原始DNA序列、轉(zhuǎn)錄水平和蛋白質(zhì)序列等其他特性的變化。而新一代CRISPR/Cas9技術(shù)——堿基編輯器(BEs)可以有效地修復(fù)堿基突變,而不會(huì)誘導(dǎo)雙鏈DNA斷裂,從而能夠直接、不可逆地校正堿基突變,對(duì)于治愈SNV引起的遺傳疾病具有十分廣闊的前景。已經(jīng)報(bào)道的有誘導(dǎo)C·G到T·A轉(zhuǎn)化的胞嘧啶堿基編輯器(CBE)、誘導(dǎo)A·T到G·C轉(zhuǎn)化的腺嘌呤堿基編輯器(ABE)和使C·G到G·C轉(zhuǎn)換的糖基化酶堿基編輯器(GBE),這些BEs為治 療50%以上致病性SNV提供了幾乎理想的解決方案。
然而,在實(shí)施基于BE的基因療法之前,有必要大量構(gòu)建具有致病性SNV的細(xì)胞疾病模型,以用于開發(fā)和優(yōu)化BEs,并使其在基因治 療中的應(yīng)用成為可能。同時(shí),根據(jù)ClinVar的數(shù)據(jù),大約50%的人類致病性SNV是C·G到T·A的轉(zhuǎn)化,然而目前很難通過(guò)合理的人力和資金投入獲得大量攜帶這些SNV的細(xì)胞模型。這一方面是由于大規(guī)模樣品,手動(dòng)操作不僅耗時(shí),而且容易出錯(cuò),一致性較差且成本高昂;另外一方面,現(xiàn)有的基于目標(biāo)-位點(diǎn)集成庫(kù)的方法,如Be-Hive等在為AI學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)編輯性能的數(shù)據(jù)時(shí),缺乏原位信息的綜合編輯位點(diǎn)數(shù)據(jù),同時(shí)又缺少真實(shí)染色體環(huán)境(先前研究表明,核酸酶的性能與染色質(zhì)可及性之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性,并且基因編輯在真核染色質(zhì)中比異染色質(zhì)中更有效)。
中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所和天津科技大學(xué)的團(tuán)隊(duì),開發(fā)了一個(gè)由以下四個(gè)模塊組成的用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞高通量原位基因編輯的自動(dòng)化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因編輯的標(biāo)準(zhǔn)化和可拓展性。
(1)內(nèi)源性靶g(shù)RNA計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);
(2)gRNA表達(dá)質(zhì)粒構(gòu)建;
(3)哺乳動(dòng)物細(xì)胞堿基編輯;
(4)CBEs性能模型構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)。
四個(gè)模塊組成的用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞高通量原位基因編輯的自動(dòng)化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因編輯的標(biāo)準(zhǔn)化和可拓展性。該平臺(tái)借助大規(guī)模的原位編輯數(shù)據(jù)和序列信息,結(jié)合局部染色質(zhì)可及性,具有原位數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠更好地預(yù)測(cè)實(shí)際的堿基編輯效率,使獲得內(nèi)生目標(biāo)的大規(guī)模編輯數(shù)據(jù)集成為可能。
圖1 全自動(dòng)高通量哺乳動(dòng)物基因編輯平臺(tái)概覽
在這四個(gè)模塊中,第 一個(gè)模塊用于負(fù)責(zé)gRNA設(shè)計(jì),以將人類致病性SNV引入野生型細(xì)胞,作者使用生物信息學(xué)分析選擇了1210個(gè)基因作為靶位點(diǎn),使用包含每個(gè)靶位點(diǎn)上游3 bp至下游750 bp靶區(qū)的DNA序列,分批處理用于分析編輯結(jié)果的三對(duì)引物。對(duì)于自動(dòng)化gRNA質(zhì)粒構(gòu)建工作流程模塊,gRNAs質(zhì)粒構(gòu)建過(guò)程中采用了貝克曼庫(kù)爾特Echo納升級(jí)聲波移液系統(tǒng)用于操縱DNA組裝反應(yīng),相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的Golden Gate DNA組裝方法的反應(yīng)體積為15μl,Echo的納升級(jí)和無(wú)吸頭操作能夠?qū)?shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行一系列優(yōu)化,將反應(yīng)系統(tǒng)最小化到1微升的總體積,從而顯著降低了實(shí)驗(yàn)成本。
隨后使用貝克曼庫(kù)爾特Biomek i7自動(dòng)化移液工作站將DH5α感受態(tài)細(xì)胞與Golden Gate產(chǎn)物進(jìn)行混合,通過(guò)ClonePix進(jìn)行轉(zhuǎn)化鋪板,并在通過(guò)DNA測(cè)序驗(yàn)證構(gòu)建質(zhì)粒之后,使用Biomek i7進(jìn)行質(zhì)粒提取。為了分析數(shù)據(jù)編輯結(jié)果,使用Python腳本讀取sanger測(cè)序文件,比較N20,并創(chuàng)建兩個(gè)參考csv文件。錯(cuò)誤的組裝csv文件包括一個(gè)選擇列表,用于從48孔細(xì)菌菌落板到96孔深孔板中挑選新菌落,以便ClonePix進(jìn)行另一輪驗(yàn)證。正確組裝csv文件包含N20測(cè)序及其在96孔深孔板中的位置,用于使用貝克曼庫(kù)爾特Biomek i7自動(dòng)化移液工作站進(jìn)行質(zhì)粒提取。此模塊高通量自動(dòng)化系統(tǒng)在4天之內(nèi)共構(gòu)建和分析了1210個(gè)gRNA質(zhì)粒,成功率達(dá)99%,實(shí)現(xiàn)了每天384個(gè)gRNA組裝的通量。而后續(xù)使用Biomek i7進(jìn)行的質(zhì)粒提取,通量則可達(dá)到576個(gè)質(zhì)粒/天。
圖2 全自動(dòng)gRNA質(zhì)粒構(gòu)建工作流程概述示意圖
第三個(gè)模塊是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的堿基編輯,如圖3。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,作者開發(fā)了使用Biomek i7自動(dòng)化移液工作站進(jìn)行包括細(xì)胞接種和轉(zhuǎn)染、細(xì)胞培養(yǎng)基更換以及進(jìn)行樣品收集在內(nèi)的編輯過(guò)程。隨后進(jìn)行靶區(qū)域的細(xì)胞裂解和PCR擴(kuò)增。全自動(dòng)高通量系統(tǒng)在6h內(nèi)將1210組gRNA和BE4max質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染到HEK293T細(xì)胞中,并在2 h內(nèi)完成后續(xù)培養(yǎng)基更換。培養(yǎng)5天后,收獲編輯的細(xì)胞于8小時(shí)內(nèi)完成進(jìn)行PCR分析,然后進(jìn)行sanger測(cè)序。使用Python腳本產(chǎn)生3個(gè)csv文件,一個(gè)用于準(zhǔn)備新一輪PCR的挑選列表,以分析使用Biomek i7從96孔裂解樣品板到96孔PCR板的false sample;第二個(gè)csv文件包含用于分析false sample的第二個(gè)引物對(duì)的序列和位置信息,用于新一輪PCR;第三個(gè)csv文件包含正確的樣本和編輯效率結(jié)果,用于下一步的AI學(xué)習(xí)。
圖3 自動(dòng)化基因編輯過(guò)程的工作流程概述
第四個(gè)模塊為作者開發(fā)的AI模型——染色質(zhì)可及性學(xué)習(xí)模型(CAELM),預(yù)測(cè)基礎(chǔ)編輯的結(jié)果。CAELM基于自動(dòng)化平臺(tái)生成的高度均勻的原位基因組編輯數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)HEK4T細(xì)胞中的BE293max行為,并實(shí)現(xiàn)了0.64的皮爾遜相關(guān)值。皮爾遜r是評(píng)估數(shù)值數(shù)據(jù)模型準(zhǔn)確性的最普遍指標(biāo)之一,CAELM模型中考慮了目標(biāo)序列的真實(shí)染色體環(huán)境,這提供了更好、更現(xiàn)實(shí)的預(yù)測(cè);同時(shí),CAELM還提供了模型輸入的特征重要性得分,并揭示了DNA可及性相對(duì)于目標(biāo)序列上下文的貢獻(xiàn)在預(yù)測(cè)中接近1:6。
通過(guò)與32個(gè)不同基因組位點(diǎn)的手動(dòng)操作進(jìn)行比較,其中16個(gè)目標(biāo)位點(diǎn)在兩個(gè)操作過(guò)程中的編輯效率幾乎相等,而自動(dòng)化高通量系統(tǒng)在其他14個(gè)位點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析中表現(xiàn)出更高的編輯效率。這些結(jié)果表明,自動(dòng)化高通量系統(tǒng)能夠以與手動(dòng)操作相當(dāng)?shù)男蕡?zhí)行基礎(chǔ)編輯;隨機(jī)選擇BE4max編輯靶標(biāo)的1210個(gè)與疾病相關(guān)的SNV的編輯效率均達(dá)到了較高水平,說(shuō)明可以同時(shí)有效地操縱數(shù)千個(gè)內(nèi)源性靶位點(diǎn)的人類細(xì)胞的全自動(dòng)高通量原位基因編輯平臺(tái)的成功建立。
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腫瘤疫苗背景
腫瘤疫苗,是一種具有預(yù)防和治 療潛力的有吸引力的替代免疫治 療選擇,是近年研究的熱點(diǎn)之一。針對(duì)腫瘤相關(guān)抗原(Tumor-associated antigen,TAA)或腫瘤特異性抗原 (Tumor specific antigen,TSA) 的疫苗可以特異性地攻擊和破壞抗原過(guò)表達(dá)的惡性細(xì)胞,并由于免疫記憶而實(shí)現(xiàn)慢性治 療反應(yīng)。因此,與其他免疫療法相比,癌癥疫苗提供了特異性、安全性和可耐受的治 療。
根據(jù)腫瘤抗原的組分,癌癥疫苗大致可以分為四種類型:基于 DNA 的疫苗,基于 RNA 的疫苗,基于多肽的疫苗和基于免疫細(xì)胞的疫苗。FDA 批準(zhǔn)的首 個(gè)個(gè)性化腫瘤疫苗 PROVENGE (Sipuleucel-T) 是一種基于免疫細(xì)胞的疫苗,用于激素難治性前列腺癌的治 療。除此之外,Moderna,BioNTech 都在布局基于 mRNA 的腫瘤疫苗。
圖 1 腫瘤疫苗抗原呈遞平臺(tái)示意圖
腫瘤疫苗有效性評(píng)估方法
生物體接種疫苗后,腫瘤抗原被帶到淋巴結(jié),進(jìn)而激活抗原特異性的 B 細(xì)胞和 T 細(xì)胞,活化的 B 細(xì)胞產(chǎn)生的抗體及活化的效應(yīng) T 細(xì)胞會(huì)使腫瘤內(nèi)脹并誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。
圖 2 腫瘤疫苗誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)示意圖
如何有效的評(píng)估腫瘤疫苗的有效性是一個(gè)非常值得探討的問題,常用的腫瘤疫苗有效性驗(yàn)證的方法,包括細(xì)胞因子檢測(cè)、CTL 活性檢測(cè)、T 細(xì)胞活化標(biāo)志物檢測(cè)、抗體滴度檢測(cè)、ADCC 檢測(cè)等。
1、細(xì)胞因子檢測(cè)
細(xì)胞因子是由免疫細(xì)胞經(jīng)過(guò)刺激而合成并分泌的小分子蛋白質(zhì),在免疫應(yīng)答中起著非常重要的作用,因此可以通過(guò)細(xì)胞因子的分泌能力來(lái)反應(yīng)疫苗誘導(dǎo)的細(xì)胞免疫的水平。常見的細(xì)胞因子有白介素 (IL) 、干擾素 (IFN)、 腫瘤壞死因子 (TNF) 等。下面比較了幾種常見的檢測(cè)方法。
ELISA 是一種非常經(jīng)典的細(xì)胞因子的檢測(cè)方法,例如在王曉東等人發(fā)表的關(guān)于胃癌疫苗研究的文章中,提到了用 ELISA 的方法檢測(cè)接種疫苗后小鼠骨 髓源樹突狀細(xì)胞(BMDCs)分泌細(xì)胞因子的能力,檢測(cè)方法如下:
BMDCs 在含有 10ng/mL GM-CSF 和 10ng/mL IL-4 的 X-vivo 15 培養(yǎng)基中培養(yǎng),37℃下培養(yǎng) 6 天,然后以每孔 5×104 細(xì)胞的密度在 96 孔板中接種。以 5μM 或 10μM 的最 終濃度加入疫苗抗原,孵育 24 小時(shí)。使用小鼠 TNF-α 和 IL-12 p70 ELISA Ready-SET-Go 試劑組定量培養(yǎng)上清中的 TNF-α 和 IL-12 。首先在 4℃下用捕獲抗體包被 ELISA 板過(guò)夜,然后在室溫下依次加入阻斷液、細(xì)胞培養(yǎng)上清和檢測(cè)抗體,孵育 1h 。 最 后加入終止液和顯色劑,用酶標(biāo)儀 (BioTek) 在 450nm 處記錄 OD 值。
檢測(cè)結(jié)果如下:
從檢測(cè)結(jié)果可以看出,T7(TLR7 激動(dòng)劑)的存在可以顯著提升 ML/MB 抗原誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)。
圖 3 ELISA 法測(cè)定小鼠骨 髓樹突狀細(xì)胞 (BMDCs) 分泌
TNF-α (a) 和 IL-12 (b) 的水平
Ankita Leekha 等人發(fā)表的關(guān)于 SRAS-COV2 疫苗文章中,提到了用 ELISPOT 的方法評(píng)估細(xì)胞因子的分泌水平,可以作為參考。具體方法如下:
從小鼠中分離脾細(xì)胞和肺細(xì)胞,使用小鼠 IFNγ ELISpot 基礎(chǔ)試劑盒和小鼠 IL4 ELISpot 基礎(chǔ)試劑盒 (Mabtech, VA, USA) 進(jìn)行 IFNγ 和 IL4 ELISpot 檢測(cè)。在 37℃ 下,在預(yù)包被抗體的 ELISpot 板中,用抗原刺激脾細(xì)胞和肺細(xì)胞,培養(yǎng) 16-18 小時(shí)。第二天,洗掉細(xì)胞,加入生物素化的檢測(cè)抗體。洗板后,加入 1:30000 稀釋的 Extravidi-ALP 偶聯(lián)物,室溫孵育 1 小時(shí)。洗板后,每孔添加 70μL 顯色液,孵育 20-30min,形成斑點(diǎn),然后用水清洗,干燥。使用 Cytation 7 (BioTek) 對(duì)斑點(diǎn)進(jìn)行量化。每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞因子分泌細(xì)胞。
檢測(cè)結(jié)果如下:
圖 4 ELIPSOT 方法檢測(cè)小鼠脾細(xì)胞
和肺細(xì)胞分泌細(xì)胞因子的水平
2、CTL 活性檢測(cè)
疫苗誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性 T 淋巴細(xì)胞 (CTL) 可以直接殺傷腫瘤細(xì)胞,起到抗腫瘤的作用,因此可以通過(guò)檢測(cè) CTL 的殺傷效應(yīng)來(lái)反應(yīng)疫苗的效果。常用的檢測(cè)細(xì)殺傷效應(yīng)的方法有很多,下表列舉了一些常用的方法。
王曉東等人發(fā)表的文章中提到了 LDH 檢測(cè),檢測(cè)方法如下:
從接種疫苗小鼠的脾 臟中分離淋巴細(xì)胞(效應(yīng)細(xì)胞)。EAC 腫瘤細(xì)胞(靶細(xì)胞)與淋巴細(xì)胞(效應(yīng)細(xì)胞-靶細(xì)胞比例為 50:1)共培養(yǎng) 4h,使用乳酸脫氫 (LDH) 法測(cè)定細(xì)胞毒性。將培養(yǎng) 4h 后的培養(yǎng)上清加入在 ELISA 板中,室溫下加入底物溶液,孵育 30min。最 后,加入終止液終止反應(yīng),并用酶標(biāo)儀 (BioTek) 在 490nm 處檢測(cè)光密度。
檢測(cè)結(jié)果如下:
相對(duì)于 PBS 對(duì)照組來(lái)說(shuō),T7-MB 組 CTL 細(xì)胞具有顯著的殺傷效應(yīng)。
圖 5 LDH 法測(cè)定 CTL 介導(dǎo)的 EAC 靶細(xì)胞的裂解水平
3、抗體滴度及親和力檢測(cè)
腫瘤疫苗除了可以誘導(dǎo)細(xì)胞免疫之外,也可誘導(dǎo)體液免疫,對(duì)此可通過(guò)對(duì)抗體滴度及親和力進(jìn)行檢測(cè)來(lái)反應(yīng)疫苗抗腫瘤的效果,ELISA 是一種非常經(jīng)典的檢測(cè)方法。
上述關(guān)于胃癌疫苗的文章中通過(guò) ELISA 方法測(cè)定小鼠接種疫苗后血清中總 IgG 含量,具體檢測(cè)過(guò)程如下:
小鼠接種疫苗后收集血液樣本,通過(guò) 3000g 離心 15 分鐘獲得血清樣本。ELISA 板預(yù)先在 4℃ 包被 BSA-MG1 過(guò)夜,然后在室溫下依次加載封閉溶液 2h,血清樣品 (1:50 稀釋) 和檢測(cè)抗體 1h。最 后,在體系中加入 p-NPP 底物 (Millipore) 和終止液,用酶標(biāo)儀 (BioTek) 在 405nm 處記錄 OD 值。
檢測(cè)結(jié)果如下:
相對(duì)于 PBS 對(duì)照組來(lái)說(shuō),T7-MB 組抗體含量明顯上升。
圖6 ELISA法測(cè)定疫苗誘導(dǎo)的血清抗體水平
除此之外,在 Emily C. Gale 等人發(fā)表的關(guān)于 mRNA 遞送系統(tǒng)及輔劑研究的文章中,通過(guò) ELISA 的方法測(cè)定了 mRNA OVA 模式疫苗誘導(dǎo)的 OVA 特異性抗體的絕 對(duì)含量及其親和力。具體檢測(cè)方法如下:
抗體濃度:小鼠接種加強(qiáng)疫苗后,采集血液樣品,血清按照 1:100 000 進(jìn)行稀釋。采用 anti-OVA mouse IgG1 ELISA (Cayman Chemicals) 試劑,按照試劑廠家的說(shuō)明進(jìn)行 ELISA 實(shí)驗(yàn)。使用 Synergy H1 Microplate Reader (BioTek) 在 450nm 處記錄 OD 值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算血清抗體濃度,表示 mg/mL。
抗體親和性:將 12 個(gè)梯度稀釋的血清與恒定濃度標(biāo)記 HRP 的 anti-OVA 抗體 (3nM) 混合,并在 OVA 抗原包被的板中室溫孵育 2 小時(shí),洗板后用 TMB 底物孵育,用 HCl 停止反應(yīng)。測(cè)定 450nm 處的 OD 值。根據(jù)業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的單克隆抗體的共同親和力,假設(shè)對(duì)照抗體的 KD 為 1nM 對(duì)實(shí)驗(yàn)組的 KD 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這一假設(shè)僅影響報(bào)告的絕 對(duì) KD 值,而不影響實(shí)驗(yàn)組之間的相對(duì)差異。
檢測(cè)結(jié)果如下:
pIC 為雙鏈 RNA 結(jié)構(gòu)模擬物,圖E中比較了可溶性的 pIC 和不同納米顆粒遞送系統(tǒng)誘導(dǎo)的絕 對(duì)抗體含量,從圖 E 中可以看出 2B 遞送系統(tǒng)誘導(dǎo)的 OVA 特異性抗體含量最 高。從F和G可以看出 2B 遞送系統(tǒng)相對(duì)于可溶性 pIC 來(lái)說(shuō)誘導(dǎo)的 IgG 親和力也顯著升高。
圖 7 pIC/PBAE NPs 增強(qiáng)體液免疫
4、ADCC 檢測(cè)
疫苗誘導(dǎo)體液免疫產(chǎn)生的抗體能夠捕捉目標(biāo)抗原,阻斷這個(gè)靶分子的功能,也可以引導(dǎo)其他免疫細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞)殺死表達(dá)抗原的靶細(xì)胞,在腫瘤治 療中,特別是血液腫瘤中,抗體依賴的細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性作用 (ADCC) 起著關(guān)鍵作用,ADCC 常用的檢測(cè)方法包括細(xì)胞活力檢測(cè)、LDH 檢測(cè)、工程細(xì)胞株、Delfia、RTCA、細(xì)胞成像檢測(cè)等。
王曉東等人發(fā)表的關(guān)于胃癌疫苗研究的文章中,提到了 LDH 方法檢測(cè) ADCC,檢測(cè)方法如下:
小鼠接種疫苗后,采集其血清樣本(1:25 稀釋),然后與 EAC 細(xì)胞(靶細(xì)胞)在 37°C 孵育 30min。使用小鼠 NK 細(xì)胞分離試劑盒從正常 BALB/c 小鼠中分離出自然殺傷 (NK) 細(xì)胞(效應(yīng)細(xì)胞),與抗體標(biāo)記的 EAC 細(xì)胞以效靶比 50:1 共培養(yǎng) 4 小時(shí)。采用 LDH 法 (Promega) 測(cè)定細(xì)胞毒性,檢測(cè)方法與之前提到的 CTL 活性檢測(cè)的方法一致。
檢測(cè)結(jié)果如下:
相對(duì)于 PBS 對(duì)照組來(lái)說(shuō),T7-MB 組產(chǎn)生的抗體具有顯著的殺傷效應(yīng)。
圖 8 LDH 法測(cè)定血清抗體介導(dǎo)的 EAC 靶細(xì)胞的裂解水平
腫瘤疫苗生物學(xué)活性檢測(cè)解決方案推薦
本文介紹了腫瘤疫苗活性檢測(cè)的常用方法,包括細(xì)胞因子檢測(cè)、CTL 活性檢測(cè)、抗體滴度及親和力檢測(cè)、ADCC 檢測(cè)等方法,涉及到了酶標(biāo)儀、成像系統(tǒng)、流式、RTCA、洗板分液系統(tǒng)等設(shè)備。Agilent 細(xì)胞分析事業(yè)部可以從多個(gè)角度為用戶提供從樣品處理,到結(jié)果檢測(cè)再到數(shù)據(jù)分析的全面解決方案。
- 細(xì)胞中純化一種新的未知蛋白因子,如何研究其在細(xì)胞中的生物學(xué)功能
- 詳細(xì)點(diǎn),盡快~謝謝
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