DE19943813A1 - Inducing and detecting various functional states in cells, organelles, viruses, molecular aggregates and biomolecules, comprises using a surface or medium with different binding properties at different sites - Google Patents
Inducing and detecting various functional states in cells, organelles, viruses, molecular aggregates and biomolecules, comprises using a surface or medium with different binding properties at different sitesInfo
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Abstract
Description
Es ist vielfach belegt, daß die Form und funktionelle Aktivität von Biomolekülen, von Molekülaggregaten und vor allem von Zellen durch Bindungspartner in einer charakteri stischen Weise beeinflußt werden kann.It has been shown many times that the shape and functional activity of biomolecules, of Molecular aggregates and especially cells by binding partners in a characteri technical way can be influenced.
So beeinflussen beispielsweise Moleküle der extrazellulären Matrix bei tierischen Zellen die Zellform und die intrazelluläre Anordnung des Cytoskeletts, die Beweglichkeit und die Bewegungsrichtung von Zellen, die funktionelle Aktivität und auch die Entwicklung von Zellen.For example, molecules affect the extracellular matrix in animal cells the cell shape and intracellular arrangement of the cytoskeleton, mobility and the direction of movement of cells, the functional activity and also the development of cells.
Bereits seit den 70er Jahren ist beispielsweise bekannt, daß transformierte Fibroblasten das Zelloberflächenprotein Fibronektin in sehr viel geringeren Mengen auf ihren Ober flächen enthalten als normale Fibroblasten. Zugabe von löslichem Fibronektin zu trans formierten Zellen kann diese Zellen wieder veranlassen, sich wie normale Zellen zu ver halten. Dabei nehmen die abgerundeten transformierten Zellen wieder die abgeflachte Form normaler Fibroblasten an und heften sich fest an Unterlagen an. Auch werden wie der Streßfasern ausgebildet, die in transformierten Zellen fehlen.For example, it has been known since the 1970s that transformed fibroblasts the cell surface protein fibronectin in much smaller amounts on their surface areas contained as normal fibroblasts. Add soluble fibronectin to trans formed cells can cause these cells to act like normal cells again hold. The rounded transformed cells take the flattened again In the form of normal fibroblasts and adhere firmly to documents. Also be like of the stress fibers that are missing in transformed cells.
Ebenso ist bekannt, daß Kontakte zwischen der extrazellulären Matrix und Zelloberflä chen die Wanderungsrichtung von Zellen beeinflussen können. So wandern beispielswei se Neuralleistenzellen in Richtung von Fibronektinfibrillen, die auf einer Substratober fläche ausgerichtet sind.It is also known that contacts between the extracellular matrix and cell surface Chen can influence the direction of migration of cells. For example, hike se neural crest cells in the direction of fibronectin fibrils placed on a substrate top are aligned.
Und auch der Funktionszustand wie beispielsweise der Stoffwechsel von Zellen wird durch die extrazelluläre Matrix beeinflußt. So löst die Bindung verschiedener extrazellu lärer Matrixproteine an integrale Membranproteine wie Integrine Signalübertragungskas kaden aus, aus denen sogar Veränderungen der Genexpression resultieren können (einen Überblick über die Wechselwirkungen von extrazellulären Matrixproteinen mit Zellen und die daraus resultierenden Veränderungen in der Struktur und Funktion der Zellen geben B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J. D. Watson in Mole kularbiologie der Zelle, VCH Verlagsgesellschaft, 3. Auflage, Weinheim, 1995, S. 1119-1192).And also the functional state such as the metabolism of cells influenced by the extracellular matrix. So the binding of different extracellu loosens lary matrix proteins to integral membrane proteins such as integrins signaling cas dig out from which even changes in gene expression can result (An overview of the interactions of extracellular matrix proteins with Cells and the resulting changes in the structure and function of the Cells give B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson in Mole molecular cell biology, VCH publishing company, 3rd edition, Weinheim, 1995, Pp. 1119-1192).
Daß Bindungspartner die Form und Funktion von Biomolekülen, Zellorganellen und Molekülaggregaten wie Liposomen oder auch Viren beeinflussen können, ist allgemein bekannt. Bei den meisten Enzymen kann beispielsweise die Bindung des Substrats, eines Inhibitors oder Aktivators die Konformation und die Enzymaktivität beeinflussen. Das gleiche gilt - wenn auch oft in einer modifizierten Form - für Proteoliposomen, für Membrankomponenten, Viren und Virusbestandteile.That binding partners the form and function of biomolecules, cell organelles and Molecular aggregates such as liposomes or viruses can affect is common known. For example, most enzymes can bind the substrate, one Inhibitors or activators influence the conformation and the enzyme activity. The same applies - albeit often in a modified form - to proteoliposomes, to Membrane components, viruses and virus components.
Bisherige Verfahren zur Untersuchung der Wechselwirkungen von Zellen, Zellbestand teilen, Molekülaggregaten oder Biomolekülen mit Substraten auf Oberflächen oder in einem Medium verwenden gewöhnlich Medien mit einheitlicher Zusammensetzung.Previous methods for studying the interactions of cells, cell population share, molecular aggregates or biomolecules with substrates on surfaces or in A medium usually uses media with a uniform composition.
Mögliche Bindungspartner werden deshalb an verschiedenen Orten in nahezu gleichen Formen und Funktionszuständen gebunden. Es ist deshalb nicht ohne weiteres möglich, aus der Verteilung von beispielsweise Zellen auf einer Substratoberfläche Rückschlüsse auf den Funktionszustand, die funktionelle Integrität und bei morphologisch sehr ähnli chen Zellen auf ihre Art zu schließen.Possible attachment partners will therefore be almost the same at different locations Forms and functional states bound. It is therefore not easily possible conclusions can be drawn from the distribution of, for example, cells on a substrate surface on the functional state, the functional integrity and in morphologically very similar cells in their own way.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, mit Hilfe von Medien, welche eine heterogene Substanzverteilung aufweisen, Zellen, Zellkomponenten, Viren, Molekülaggregate oder Biomoleküle zu trennen und/oder unterschiedliche Funktionszustände an verschiedenen Orten des Mediums zu erzeugen.The present invention makes it possible to use media which are heterogeneous Have substance distribution, cells, cell components, viruses, molecular aggregates or Separate biomolecules and / or different functional states at different Locations of the medium.
Die Herstellung von dazu geeigneten Medien oder Oberflächen kann mit unterschiedlich sten Methoden erfolgen. Einige Möglichkeiten, die mit gängigen verfügbaren Techniken und Reagenzien realisiert werden können, sind im folgenden aufgeführt.The production of suitable media or surfaces can vary most methods. Some options with common techniques available and reagents can be realized are listed below.
So ist es relativ einfach, Konzentrationgradienten eines oder mehrerer Bindungspartner an einer Oberfläche zu erzeugen. Ein Konzentrationsgradient kann beispielsweise herge stellt werden, indem die Oberfläche wie beispielsweise eine Kunststoff-Folie oder Glasplatte in eine Lösung mit einem Gradienten des Bindungspartners eingetaucht wird. Der Bindungspartner kann unter geeigneten Bedingungen durch Adsorption oder durch kovalente Bindung immobilisiert werden.So it is relatively easy to find concentration gradients of one or more binding partners to produce on a surface. A concentration gradient can be, for example be made by the surface such as a plastic sheet or Glass plate is immersed in a solution with a gradient of the binding partner. The binding partner can under suitable conditions by adsorption or by covalent bond can be immobilized.
Eine alternative Möglichkeit zur Erzeugung eines Konzentrationsgradienten ist die Bin dung oder Adsorption von einem oder mehreren Bindungspartnern an einer Oberfläche und die anschließende Ablösung mit einem geeigneten Ablösereagenz. Als Ablöserea genzien kommen Denaturierungsmittel wie Harnstoff, Guanidinium-Hydrochlorid, Natriumdodecylsulfat oder chaotrope Ionen in Frage. Durch Eintauchen der Oberfläche in einen Gradienten des Denaturierungsmittels kommt es mit steigender Konzentrationen des Denaturierungsmittels in vielen Fällen zu einer verstärkten Ablösung eines direkt oder indirekt gebundenen Bindungspartners. Möglich sind neben chemischen und enzy matischen Verfahren auch physikalische Methoden zur Ablösung wie beispielsweise Temperatur-, Druck- oder Strahlungsgradienten. Möglich sind schließlich auch spezifi sche Ablösereagenzien beispielsweise bei der Trennung miteinander verbundener Mole küle oder Molekülkomplexe, wenn die Interaktion zwischen den Komplexbestandteilen durch Effektoren beeinflußt werden kann.An alternative way of generating a concentration gradient is the bin formation or adsorption of one or more binding partners on a surface and the subsequent detachment with a suitable detachment reagent. As a replacement area genes come denaturants such as urea, guanidinium hydrochloride, Sodium dodecyl sulfate or chaotropic ions in question. By immersing the surface a gradient of the denaturing agent occurs with increasing concentrations of the denaturing agent in many cases to an increased detachment of a direct or indirectly bound binding partner. In addition to chemical and enzy matic processes also physical methods for detachment such as Temperature, pressure or radiation gradients. Finally, specifics are also possible cal releasing reagents, for example, in the separation of interconnected moles cools or molecular complexes when the interaction between the complex components can be influenced by effectors.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Oberflächen oder Medien mit unterschied lichen Bindungseigenschaften erzeugt Medien, welche unter anderem zur Trennung von Zellen und zur Erzeugung unterschiedlicher Funktionszustände von Zellen eingesetzt werden können. Das kann erreicht werden durch Ausnutzung von Unterschieden in der Zell-Zell- und Zell-Matrix-Erkennung, welche durch Variationen der Kohlenhydratzu sammensetzung von reinen Kohlenhydraten oder Glykokonjugaten erzeugt werden. Bei Zell-Zell- und Zell-Matrixerkennungen spielt bekanntlich unter anderem der Glykoanteil von Membranproteinen und Membranlipiden eine große Rolle. Mit Hilfe von an Oberflä chen oder in Medien immobilisierten Kohlenhydraten z. B. in Form von Glykoproteinen der extrazellulären Matrix oder in Form von reinen Kohlenhydratresten wie Mono-, Di-, Oligo- oder Polysacchariden können Zellen deshalb bei Vorhandensein korrespondieren der Rezeptoren spezifisch gebunden werden.Another way of producing surfaces or media with different binding properties creates media that are used, among other things, to separate Cells and used to generate different functional states of cells can be. This can be achieved by taking advantage of differences in the Cell-cell and cell-matrix recognition, which is caused by variations in carbohydrate composition of pure carbohydrates or glycoconjugates. At As is well known, cell-cell and cell-matrix recognition plays among other things the glyco portion of membrane proteins and membrane lipids play a major role. With the help of Chen or immobilized in media carbohydrates such. B. in the form of glycoproteins the extracellular matrix or in the form of pure carbohydrate residues such as mono-, di-, Oligosaccharides or polysaccharides can therefore correspond to cells if they are present of the receptors are specifically bound.
Durch gezielte graduelle Veränderungen des Glykosylierungsmusters auf der Oberfläche durch Anhängen zusätzlicher Monosaccharide oder Entfernung einzelner Monosacchari de kann das Erkennungsmuster mehr oder weniger spezifisch verändert werden.Through targeted gradual changes in the glycosylation pattern on the surface by adding additional monosaccharides or removing individual monosaccharis de, the recognition pattern can be changed more or less specifically.
Eine solche ortsabhängige Veränderung ist mit Hilfe von Glykosidasen oder Glykosyl transerasen z. B. in Gegenwart von Temperatur-, Substrat-, pH- oder Enzymkonzentra tions-Gradienten möglich. Sie kann alternativ auch durch unterschiedlichste chemische Modifikationen wie beispielsweise eine Oxidation vicinaler OH-Gruppen mit NaIO4 und anschließende Umsetzung mit Ammoniak, Hydrazin, Aminen, Hydrazinen oder Hy draziden erreicht werden.Such a location-dependent change is with the help of glycosidases or glycosyl transerases z. B. possible in the presence of temperature, substrate, pH or enzyme concentration gradients. Alternatively, it can also be achieved by a wide variety of chemical modifications such as, for example, oxidation of vicinal OH groups with NaIO 4 and subsequent reaction with ammonia, hydrazine, amines, hydrazines or hy drazides.
Schließlich sind auch chemische Neusynthesen möglich, welche zu einem ortsabhängig differierenden Glykosylierungsmuster führen. Die ortsabhängig unterschiedliche Glyko sylierung kann hier ebenfalls durch Substrat-, Cosubstrat-, Temperatur-, pH-Gradienten oder andere Gradienten erfolgen.Finally, chemical new syntheses are also possible, depending on the location lead to different glycosylation patterns. The location-dependent different glyco Sylation can also here by substrate, cosubstrate, temperature, pH gradient or other gradients.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung geeigneter Oberflächen oder Medien setzt Bin dungspartner ein, welche für die gegenseitige Erkennung Peptid- oder Proteinbestandteile benötigen. Solche Bindungspartner können ebenfalls an geeigneten Oberflächen oder in geeigneten Medien immobilisiert werden. Eine graduelle Veränderung der Bindungs fähigkeit kann erfolgen durch einen gezielten proteolytischen Abbau der Proteine oder Peptide mit spezifischen oder auch unspezifischen Exo- oder Endopeptidasen z. B. in Gegenwart eines Temperaturgradienten, eines Proteasekonzentrationsgradienten oder eines Gradienten anderer Substanzen, welche die gewünschte Veränderung herbeiführen können. So kann die Wirkung und Spezifität von Proteasen beispielsweise beeinflußt werden durch Proteaseinhibitoren, Metallionen, oder auch durch den pH-Wert. Weitere Modifikationsreaktionen, welche zu Veränderungen der Bindungseigenschaften oder zur Stabilisierung der so erzeugten Affinitätsmedien führen, können angeschlossen werden. Beispielsweise kann eine Modifikation mit quervernetzenden Reagenzien wie Glutar dialdehyd erforderlich sein, um ein Ablösen von Fragmenten zu verhindern oder zu ver zögern. Durch weitere selektive oder auch unspezifische Modifikationen von Seitenket ten oder Endgruppen können gegebenenfalls noch weitere Eigenschaften auf einer Oberfläche oder in einem Medium verändert werden. Diese Veränderungen können durch Wahl geeigneter Gradienten zu sehr fein abgestimmten ortsabhängigen Unter schieden des Affinitätsmediums führen, wobei auch mehrdimensionale Gradienten er zeugt werden können. Die oben genannten Modifikationsreaktionen können natürlich auch ohne vorherige proteolytische Behandlung mit an Oberflächen gebundenen Protei nen oder Peptiden oder anderen Bindungspartnern durchgeführt werden.Bin provides another option for producing suitable surfaces or media partners who are responsible for the mutual recognition of peptide or protein components need. Such binding partners can also on suitable surfaces or in suitable media are immobilized. A gradual change in attachment ability can be achieved through a targeted proteolytic degradation of the proteins or Peptides with specific or non-specific exo- or endopeptidases z. B. in Presence of a temperature gradient, a protease concentration gradient or a gradient of other substances that bring about the desired change can. For example, the effect and specificity of proteases can be affected are by protease inhibitors, metal ions, or by the pH. Further Modification reactions which lead to changes in the binding properties or Stabilization of the affinity media generated in this way can be connected. For example, a modification with cross-linking reagents such as glutar Dialdehyde may be required to prevent or prevent fragments from detaching hesitate. Through further selective or unspecific modifications of Seitenket ten or end groups may optionally have further properties on one Surface or changed in a medium. These changes can by choosing suitable gradients to very finely tuned location-dependent sub divide the affinity medium, with multidimensional gradients can be witnessed. The modification reactions mentioned above can of course even without prior proteolytic treatment with protei bound to surfaces or peptides or other binding partners.
Eine weitere Möglichkeit betrifft die Erzeugung graduell veränderter Oberflächen durch Züchtung von Zellen auf Oberflächen oder in einem Medium in Gegenwart von Gra dienten an Glykosylierungsinhibitoren wie Tunicamycin oder Bacitracin. Letztere verän dern das Glykosylierungsmuster und damit die Fähigkeiten der Zellen, mit Kohlenhy draterkennenden Bindungspartnern in Wechselwirkung zu treten (siehe z. B. L. Stryer in Biochemie, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford, 4. Auflage 1995, S.996).Another possibility concerns the production of gradually changed surfaces by Culturing cells on surfaces or in a medium in the presence of gra served on glycosylation inhibitors such as tunicamycin or bacitracin. The latter change the glycosylation pattern and thus the capabilities of the cells, with coal hy interact with third-party binding partners (see e.g. L. Stryer in Biochemistry, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford, 4th edition 1995, p.996).
Zahlreiche inhibierende oder stimulierende Substanzen, welche die Eigenschaften von Zellen direkt oder indirekt beeinflussen, können in ähnlicher Weise eingesetzt werden. Die Herstellung einer Oberfläche mit ortsabhängig unterschiedlichen Oberflächeneigen schaften kann auch durch chemische Modifikation mit einem oder mehreren niedermole kularen chemischen Reagenzien erfolgen. So können beispielsweise Folien, Objektträger oder Kulturschalen mit reaktiven Aminen, Säuren oder auch zwitterionischen Kompo nenten behandelt werden, um eine unterschiedliche Verteilung positiver oder negativer Ladungen zu erzeugen. Eine unterschiedliche Phosphorylierung führt beispielsweise ebenso wie die Umsetzung mit Carbonsäuren, Sulfonsäuren oder anderen Säuregruppie rungen zu Unterschieden in der Verteilung negativer Ladungen. Auch biologische rele vante Modifikationsreaktionen können durchgeführt werden. Denkbar ist beispielsweise, daß an bestimmten Oberflächen durch einen unterschiedlichen Phosphorylierungsgrad unterschiedliche Zustände imitiert werden, die durch Enzyme wie Kinasen oder Phos phatasen innerhalb von lebenden Systemen erzeugt werden.Numerous inhibiting or stimulating substances which have the properties of Influencing cells directly or indirectly can be used in a similar way. The production of a surface with different surface characteristics depending on the location can also be modified by chemical modification with one or more low moles molecular chemical reagents. For example, foils, slides or culture dishes with reactive amines, acids or zwitterionic compo nents are treated to a different distribution of positive or negative To generate charges. A different phosphorylation leads, for example as well as the reaction with carboxylic acids, sulfonic acids or other acid groups differences in the distribution of negative charges. Biological rele Various modification reactions can be carried out. For example, that on certain surfaces by a different degree of phosphorylation different states are imitated by enzymes such as kinases or Phos phases are generated within living systems.
Weitere Beispiele für Umsetzungen, welche zu einer unterschiedlichen Bindung korre spondierender Bindungspartner führen, sind die Herstellung von Biotingradienten, wel che zu Unterschieden im Ausmaß und/oder in der Stärke der Bindung biotinbindender Proteine führen. In entsprechender Weise kann auch ein unterschiedlicher Digoxigenylie rungsgrad auf einer Oberfläche oder in einem Medium erzeugt werden, welcher zu Un terschieden in der Bindung von digoxigeninbindenden Bindungspartnern führt.Further examples of implementations which lead to a different binding sponding binding partners are the production of biotin gradients, wel differences in the extent and / or strength of the binding of biotin Lead proteins. A different digoxigenyly can also be used in a corresponding manner degree of generation on a surface or in a medium, which leads to Un differs in the binding of digoxigenin binding binding partners.
Zahlreiche Haptene können ebenfalls in Form von Gradienten immobilisiert werden und viele weitere Möglichkeiten für den Einsatz unterschiedlichster Bindungspartner sind denkbar. Geeignete Reagenzien zur Umsetzung von Oberflächen mit den genannten Bin dungspartnern stehen in zahlreichen Varianten zur Verfügung und es existieren gut aus gearbeitete Arbeitsvorschriften für ihren Einsatz (Methoden zur Herstellung von Affini tätsmedien werden beispielsweise durch G. T. Hermanson, A. K. Mallia, P. K. Schmidt beschrieben in Immobilized Affmity Ligand Techniques, Academic Press, 1. Auflage, London 1992).Numerous haptens can also be immobilized in the form of gradients there are many other possibilities for the use of different binding partners conceivable. Suitable reagents for the implementation of surfaces with the mentioned bin There are numerous variants available to partner partners and they exist well Working instructions for their use (methods for the production of Affini Act media are for example by G. T. Hermanson, A. K. Mallia, P. K. Schmidt described in Immobilized Affmity Ligand Techniques, Academic Press, 1st edition, London 1992).
Die unterschiedliche Verteilung gebundener Komponenten und dadurch erzeugte Funkti onszustände können mit verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden unter sucht und erkannt werden.The different distribution of bound components and the resulting functions on states can be determined using various physical and chemical methods is sought and recognized.
Nur einige Beispiele sind im folgenden aufgeführt:
Anfärbung mit geeigneten Farbstoffen beispielsweise zur Detektion einer unterschiedli
chen Verteilung von Proteinen, Kohlenhydraten oder Nucleinsäuren; Nachweis der Ver
teilung gebundender Substanzen mit spezifischen markierten Bindungspartnern wie An
tikörpern; Lichtmikroskopische oder elektronenmikroskopische Betrachtung der Zell
morphologie von immobilisierten Zellen mit und ohne Färbemethoden; Immunfluores
zenz, z. B. betrachten des Cytoskeletts nach Fluoreszenzmarkierung zur Erkennung un
terschiedlicher Funktionszustände der Zellen; Messung von Enzymaktivitäten auf
Zelloberflächen und im Zellinnern unter Verwendung geeigneter Substrate; Messung
von sezernierten Enzymaktivitäten beispielsweise durch Zugabe chromogener Substrate;
Radioaktivitätsmessungen wie Autoradiographie nach Zugabe radioaktiver Bindungs
partner oder Substrate;
In situ Hybridisierung, um Unterschiede in der Struktur und im Funktionszustand von
Nucleinsäuren zu erkennen; In situ PCR (polymerase chain reaktion);
Elektrochemische Methoden auch mit Hilfe von Chips, welche eine unterschiedliche
Verteilung von gebundenen Komponenten registrieren und eventuell auch Informationen
über ihren Funktionszustand geben. Bei Zellen können unter Umständen Zell-Zell-
Kontakte erkannt werden wie gap junctions.
Moderne optische Methoden wie zum Beispiel der Einsatz von Evaneszent-Feld-
Absorptions-Sensoren, welche eine unterschiedliche Verteilung und auch Morphologie
gebundener Komponenten registrieren;
Wichtige Voraussetzung für die genannten Untersuchungen ist das Finden einer geeig
nete Oberfläche für die Gradienten-Immobilisierung, die eine Untersuchung der Kom
plexbildung mit der entsprechenden Methode erlaubt. Oberflächen können also auch
Mikrochips, optische Medien oder ähnliches sein, auf der der gewünschte Gradient
erzeugt werden kann.Only a few examples are listed below:
Staining with suitable dyes, for example for the detection of a different distribution of proteins, carbohydrates or nucleic acids; Detection of the distribution of bound substances with specific labeled binding partners such as antibodies; Light microscopic or electron microscopic observation of the cell morphology of immobilized cells with and without staining methods; Immunofluorescence, e.g. B. view the cytoskeleton after fluorescent labeling to detect un different functional states of the cells; Measurement of enzyme activities on cell surfaces and in the cell interior using suitable substrates; Measurement of secreted enzyme activities, for example by adding chromogenic substrates; Radioactivity measurements such as autoradiography after adding radioactive binding partners or substrates;
In situ hybridization to detect differences in the structure and functional state of nucleic acids; In situ PCR (polymerase chain reaction);
Electrochemical methods also with the help of chips, which register a different distribution of bound components and possibly also give information about their functional state. In the case of cells, cell-cell contacts can be recognized under certain circumstances, such as gap junctions.
Modern optical methods such as the use of evanescent field absorption sensors, which register a different distribution and morphology of bound components;
An important prerequisite for the above-mentioned investigations is finding a suitable surface for the gradient immobilization, which allows an examination of the complex formation with the appropriate method. Surfaces can also be microchips, optical media or the like, on which the desired gradient can be generated.
Es ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten von denen einige im folgenden
aufgeführt sind:
So kann das Verfahren eingesetzt werden zur Trennung und Charakterisierung von Zel
len mit unterschiedlichen Affinitäten zu Molekülen der extrazellulären Matrix wie z. B.
Kollagenen, Fibronektin, Laminin, Proteoglykanen, Polysacchariden.There are numerous possible applications, some of which are listed below:
So the method can be used to separate and characterize cells with different affinities for molecules of the extracellular matrix such as. B. collagens, fibronectin, laminin, proteoglycans, polysaccharides.
Bei einer gleichzeitigen Immobilisierung mehrerer Bindungspartner kann man durch Va riation der Mischungsverhältnisse und Variationen des Gradienten zusätzliche Informa tionen erhalten über die Bedeutung der einzelnen Bestandteile für die Anheftung der Zellen an Matrixoberflächen. Hier sind beliebige Gradientenformen denkbar.If several binding partners are immobilized simultaneously, Va riation of the mixing ratios and variations of the gradient additional information tions about the importance of the individual components for attaching the Cells on matrix surfaces. Any gradient shapes are conceivable here.
Das Verfahren kann eingesetzt werden zum Nachweis und zur Untersuchung von Tu morzellen und des Metastasierungspotentials von Tumorzellen. So ist bekannt, daß bei Tumorzellen Wechselwirkungen zwischen Zellen und auch das Anheften von Zellen an Oberflächen gestört sind. Dabei könnten beispielsweise graduell veränderte Zelloberflä chenproteine, extrazelluläre Matrixproteine, Lektine, oder auch andere Verbindungen als Bindungspartner eingesetzt und deren Wechselwirkungen mit (potentiellen) Tumorzellen untersucht werden. Daraus resultierende Veränderungen in der Morphologie, in der Ar chitektur des Cytoskeletts und/oder in der Expression und Präsentation von Oberflächen antigenen lassen dann weitere Differenzierungen der Zellen zu.The method can be used to detect and examine Tu mor cells and the metastatic potential of tumor cells. So it is known that at Tumor cell interactions between cells and also cell attachment Surfaces are disturbed. For example, gradually changing cell surface Chen proteins, extracellular matrix proteins, lectins, or also compounds other than Binding partners used and their interactions with (potential) tumor cells to be examined. Resulting changes in the morphology, in the Ar architecture of the cytoskeleton and / or in the expression and presentation of surfaces antigens then allow further differentiation of the cells.
Das Verfahren kann weiter eingesetzt werden zur Trennung von Subpopulationen unter schiedlichster Zellen mit unterschiedlichen Affinitäten zu einem oder mehreren Bin dungspartnern. So könnten beispielsweise Lymphozyten und andere immunkompetente Zellen aufgrund ihrer unterschiedlichen Affinitäten zu ihren korrespondierenden Antige nen erkannt und getrennt werden. Da sich die entsprechenden Zellen am ehesten mit den am besten passenden Antigenbereichen verbinden, kommt es zu Unterschieden im Bindungsmusters der Zellen und auch in ihrer Verdrängbarkeit durch kompetitive Bin dungspartner.The method can also be used to separate subpopulations different cells with different affinities for one or more bin partners. For example, lymphocytes and other immune-competent Cells due to their different affinities for their corresponding antigen be recognized and separated. Since the corresponding cells are most likely to the best matching antigen areas, there are differences in Binding pattern of the cells and also in their displaceability by competitive bin partner.
Das Verfahren kann eingesetzt werden bei der Kultivierung von Zellen, um unterschied liche, aber dennoch definierte Funktionszustände zu erzeugen z. B. bei der in vitro Kon struktion von Geweben, Organoiden oder Organen. So sollte es beispielsweise möglich sein, Gegenstromprinzipien zu erzeugen durch eine gegenläufige Verteilung von zwei oder mehr Zellarten. Diese gegenläufige Verteilung kann mit gegenläufigen Gradienten von zu den Zellen passenden Bindeproteinen wie extrazellulären Matrixproteinen, Proteoglykanen, Kohlenhydraten oder auch anderen Bindungspartnern erzeugt werden.The method can be used in the cultivation of cells to differentiate Liche, but still defined functional states to generate z. B. in in vitro Kon structure of tissues, organoids or organs. For example, it should be possible be to generate countercurrent principles by an opposite distribution of two or more cell types. This opposing distribution can be done with opposing gradients of binding proteins that match the cells, such as extracellular matrix proteins, Proteoglycans, carbohydrates or other binding partners become.
Das Verfahren sollte schließlich auch ein größeres Potential bei der Untersuchung des Einflusses von äußeren Faktoren auf das Verhalten von Zellen und Zellfunktionen bieten als herkömmliche Zellkulturexperimente. So kann der Einfluß zahlreicher Substanzen auf das Verhalten von Zellen in auf einer Oberfläche ganz unterschiedlichen Funktionszu ständen untersucht werden.Finally, the method should also have greater potential in the study of the Offer influence of external factors on the behavior of cells and cell functions than conventional cell culture experiments. So the influence of numerous substances on the behavior of cells in very different functions on a surface be examined.
Nur einige Beispiele für derartige Substanzen sind im folgenden aufgeführt:
Only a few examples of such substances are listed below:
- - Arzneimittel- Medicines
- - Umweltchemikalien- environmental chemicals
- - Signalstoffe wie z. B. Hormone- Signal substances such as B. hormones
- - Nucleotide, Oligonucleotide und Nucleinsäuren.- nucleotides, oligonucleotides and nucleic acids.
Darüber hinaus kann man bei der Zellkultur selbst und bei der Untersuchung der Zellei genschaften noch weitere Bedingungen variieren, wie beispielsweise die Temperatur, die Gaszusammensetzung, Bestrahlung mit elektromagnetischer oder radioaktiven Strahlen und vieles mehr.In addition, one can in the cell culture itself and in the examination of the cell properties vary, such as the temperature, the Gas composition, radiation with electromagnetic or radioactive rays and much more.
Durch Einsatz von Zellkulturen, in denen sich die Zellen in ganz unterschiedlichen Funktionszuständen befinden, erhält man differenziertere Informationen über die Wir kungen derartiger Substanzen als mit herkömmlichen Zellkulturen, in denen die Zellen in einem ähnlichen Funktionszustand vorliegen. Das Verfahren könnte also auch einen Beitrag dazu leisten, Tierversuche durch Zellkulturexperimente zu ersetzen.By using cell cultures in which the cells are in very different Functional states, you get more differentiated information about us of such substances than with conventional cell cultures in which the cells in have a similar functional state. The procedure could also be one Make a contribution to replacing animal experiments with cell culture experiments.
Zur Untersuchung bestimmter Zelleigenschaften wird es allerdings in bestimmten Fällen notwendig sein, die aktuellen Eigenschaften "einzufrieren". Das kann beispielsweise er forderlich sein, wenn Zellen bei längerer Zellkultur Stoffe produzieren oder in Formen übergehen, welche die Ergebnisse verfälschen. Wenn beispielsweise Zellbindungsexpe rimente mit graduell veränderten extrazellulären Matrixproteinen durchgeführt werden und die Zellen selbst in größeren Mengen extrazelluläre Matrixproteine erzeugen und nach außen abgeben, können diese die Wirkungen der vorgegebenen graduell veränder ten Matrixmoleküle überlagern. Ein solches "Einfrieren" kann beispielsweise erfolgen durch übliche histologische Fixierungsmethoden wie Behandlung mit Glutardialdehyd oder anderen Vernetzungsmitteln, durch Einbetten in geeigneten Medien, welche eine weitere Veränderung der Zellstrukturen verhindern, oder durch Temperaturerniedrigung bis hin zum Einfrieren.In certain cases, however, it is used to investigate certain cell properties be necessary to "freeze" the current properties. He can do that, for example may be necessary if cells produce substances in a long cell culture or in forms which falsify the results. For example, if cell binding expe riments with gradually changed extracellular matrix proteins are carried out and the cells themselves produce extracellular matrix proteins in large quantities and release to the outside, these can gradually change the effects of the given overlay the matrix molecules. Such "freezing" can take place, for example using standard histological fixation methods such as treatment with glutardialdehyde or other crosslinking agents, by embedding in suitable media, which a Prevent further changes in cell structures, or by lowering the temperature up to freezing.
Ein weiterer sicherlich für verschiedene Bereiche der Chemie, Biochemie oder Biologie interessanter Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung ist die Untersuchung und auch Unterscheidung von Affinitäten und Aviditäten von Bindungspartnern. Antikörper, Lec tine, Protein A, Protein G, Avidin und Streptavidin und viele andere Verbindungen besit zen mehrere Bindungsstellen zur Erkennung und Bindung ihrer Bindungspartner. Die Wahrscheinlichkeit, daß gleichzeitig zwei oder mehr Bindungsstellen mit dem entspre chenden Bindungspartner auf einer Oberfläche in Interaktion treten ist um so größer, je höher die lokale Konzentration des Bindungspartners auf dieser Oberfläche ist. Bei einer sehr niedrigen Konzentration sind die Abstände der immobilisierten Bindungspartner so groß, daß nahezu alle Bindungen nur über eine Bindungsstelle erfolgen.Another certainly for different areas of chemistry, biochemistry or biology interesting area of application of the present invention is the investigation and also Differentiation of affinities and avidities of binding partners. Antibody, Lec tine, protein A, protein G, avidin and streptavidin and many other compounds zen several binding sites for the recognition and binding of their binding partners. The Probability that two or more binding sites correspond with the The corresponding binding partner on a surface interacts, the greater it is higher the local concentration of the binding partner on this surface. At a the distances of the immobilized binding partners are very low large that almost all bonds are made only via one binding site.
Mit zunehmender Konzentration oder zunehmender Dichte des immobilisierten Bin dungspartners nehmen ihre Abstände auf der Oberfläche ab. Dadurch steigt die Wahr scheinlichkeit, daß eine Mehrpunktbindung erfolgt. Durch die gleichzeitige Verbindung der Bindungspartner über zwei oder mehr Bindungen steigt die Bindungsstärke um Grö ßenordnungen. Im Bereich niedriger Konzentrationen ist also in erster Linie die Affinität der einzelnen Bindungsstellen für die Bindungstärke entscheidend. Bei höheren Konzen trationen wird die Bindungsstärke durch die Multivalenz der Bindungspartner extrem stark erhöht, und man mißt Aviditäten. Durch Zugabe kompetierender Verbindungen können zusätzliche Informationen erhalten werden.With increasing concentration or increasing density of the immobilized bin partners decrease their distances on the surface. This increases the truth Probability that a multi-point commitment occurs. Through the simultaneous connection the binding partner increases the bond strength by two over two or more bonds orders. So in the range of low concentrations it is primarily the affinity of the individual binding sites is decisive for the binding strength. At higher concentrations The bond strength becomes extreme due to the multivalence of the binding partners greatly increased, and avidities are measured. By adding competent compounds additional information can be obtained.
Die Herstellung der verschiedenen Funktionszustände von Zellen, Molekülaggregaten
und Biomolekülen auf den in der Erfindung beschriebenen Oberflächen bzw. Medien
kann in verschiedener Weise erfolgen, wie
The various functional states of cells, molecular aggregates and biomolecules can be produced on the surfaces or media described in the invention in various ways, such as
- - durch direkte Bindung/Adsorption z. B. durch Eintauchen der Oberflächen oder Medien in eine Lösung mit den zur Oberfläche korrespondierenden Bindungspartnern.- by direct binding / adsorption z. B. by immersing the surfaces or media in a solution with the binding partners corresponding to the surface.
- - durch chromatographische Auftrennung auf der Oberfläche (z. B. Folie) oder in dem Medium (z. B. Gel) dünnschicht- oder säulenchromatographisch.- by chromatographic separation on the surface (e.g. film) or in the Medium (e.g. gel) by thin layer or column chromatography.
- - durch elektrophoretische Auftrennung auf der Oberfläche bzw. in dem Medium- by electrophoretic separation on the surface or in the medium
- - durch magnetische Auftrennung bei magnetisch trennbaren Komponenten- by magnetic separation for magnetically separable components
- - durch Kultivierung von Zellen auf der Oberfläche bzw. in dem Medium.- by culturing cells on the surface or in the medium.
Ein Nitrocellulosestreifen wird für 10 min in Wasser oder einem Puffer gequollen. Mit Hilfe eines Gradientenmischers wird eine wässrige Gradientenlösung eines Gelatine- und Saccharose-Gradienten in einem Becherglas erzeugt mit einer Gelatinekonzentration von 0 mg/ml in 5% Saccharose bis 0,05 mg Gelatine in 20% Saccharose. Anschließend wird die Lösung mit einer geringen Menge an destilliertem Wasser oder Puffer über schichtet.A strip of nitrocellulose is soaked in water or a buffer for 10 min. With the help of a gradient mixer, an aqueous gradient solution of a gelatin and sucrose gradients generated in a beaker with a gelatin concentration from 0 mg / ml in 5% sucrose to 0.05 mg gelatin in 20% sucrose. Subsequently the solution is covered with a small amount of distilled water or buffer layers.
Ein passend zurechtgeschnittener Nitrocellulosestreifen wird in den Gradienten getaucht und 15 min. darin belassen. Anschließend wird der Streifen vorsichtig entfernt und gründlich mit destilliertem Wasser oder einem Puffer gewaschen.A suitably cut nitrocellulose strip is dipped into the gradient and 15 min. leave in it. Then the strip is carefully removed and washed thoroughly with distilled water or a buffer.
Die Qualität des Gelatinegradienten kann durch geeignete Anfärbemethoden wie eine Ponceau S-Färbung, eine Goldfärbung mit kolloidalem Gold, oder eine andere geeignete Färbemethode nachgewiesen werden. Hierfür sollte in den meisten Fällen ein gesonderter Streifen hergestellt und eingesetzt werden, da viele der Färbemethoden nicht reversibel sind. Freie Bindungstellen können bei Bedarf mit Rinderserumalbumin, Tween 20 oder einem anderen Blockierungsreagenz blockiert werden. The quality of the gelatin gradient can be determined by suitable staining methods such as a Ponceau S staining, a gold staining with colloidal gold, or other suitable Staining method can be demonstrated. In most cases, this should be a separate one Strips are made and used because many of the staining methods are not reversible are. Free binding sites can be used with bovine serum albumin, Tween 20 or another blocking reagent.
Ein Nitrocellulosestreifen wird über Nacht in eine 1% Gelatine-Lösung gelegt. Anschließend wird er mit destilliertem Wasser gewaschen. Danach wird der so herge stellte Gelatinenitrocellulose-Streifen oder alternativ auch der Gelatinenitrocellulose- Streifen aus dem Beispiel 1 für 2 Stunden in menschliches oder tierisches Plasma gelegt, um Plasmafibronektin und evtl. auch andere Proteine an die Gelatine zu binden.A strip of nitrocellulose is placed in a 1% gelatin solution overnight. Then it is washed with distilled water. After that it will be here made gelatin nitrocellulose strips or alternatively the gelatin nitrocellulose Strips from example 1 placed in human or animal plasma for 2 hours, to bind plasma fibronectin and possibly other proteins to the gelatin.
Alternativ kann auch eine selbst präparierte oder gekaufte Fibronektinlösung verwendet werden. Mit einem Gradientenmischer wird in einem Becherglas oder einem Meßzylin der ein Harnstoffgradient erzeugt mit einer Harnstoffkonzentration von 0-8 mol/l in Wasser oder einem geeigneten Puffer. Der Gradient wird ebenfalls mit einer geringen Menge Wasser oder Puffer überschichtet. Der Nitrocellulosestreifen mit den an Gelatine gebundenen Proteinen wird in den Harnstoff-Gradienten getaucht und für 15 min bei Raumtemperatur darin belassen. Mit steigender Harnstoffkonzentration wird ein zunehmender Anteil an Fibronektin und evtl. weiterer gebundener Proteine von der Ni trocellulose abgelöst, so daß ein Fibronektiongradient auf der Nitrocelluloseoberfläche entsteht.Alternatively, a self-prepared or purchased fibronectin solution can be used become. A gradient mixer is used in a beaker or a measuring cylinder which produces a urea gradient with a urea concentration of 0-8 mol / l in Water or a suitable buffer. The gradient is also low Amount of water or buffer overlaid. The nitrocellulose strip with the gelatin Bound proteins are immersed in the urea gradient and added for 15 min Leave room temperature in it. With increasing urea concentration, a increasing proportion of fibronectin and possibly other bound proteins from the Ni trocellulose detached so that a fibronection gradient on the nitrocellulose surface arises.
Dabei sind für die Nitrocellulose mit dem immobilisierten Gelatinegradienten verschie denen Orientierungen des Eintauchens möglich, welche unterschiedliche ein oder auch zweidimensionale Gradienten erzeugen.The immobilized gelatin gradient differs for the nitrocellulose those orientations of immersion possible, which different one or also generate two-dimensional gradients.
Anschließend wird der Streifen aus der Harnstofflösung entfernt und mit destilliertem Wasser oder einem geeigneten Puffer gewaschen.The strip is then removed from the urea solution and distilled with it Washed water or a suitable buffer.
Die Streifen können anschließend für die Untersuchung Fibronektinbindender Bindungs partner eingesetzt werden.The strips can then be used to examine fibronectin binding binding partner.
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DE1999143813 DE19943813A1 (en) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Inducing and detecting various functional states in cells, organelles, viruses, molecular aggregates and biomolecules, comprises using a surface or medium with different binding properties at different sites |
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