Антитела незаменимы в биологических исследованиях и медицинской диагностике. Однако их производство трудоемко, дорого и требует использования большого количества животных. Ученые из Института биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене, Германия, разработали так называемые вторичные нанотела, которые могут заменить наиболее часто используемые антитела и могут резко сократить количество животных, производящих антитела. Это возможно, потому что вторичные нанотела могут производиться бактериями в больших масштабах. Более того, вторичные нанотела превосходят традиционные антитела в ключевых биологических приложениях.
Являясь центральной частью нашей иммунной системы, антитела защищают нас, людей и других позвоночных, от патогенов. Однако они также являются важными инструментами в медицинской диагностике, терапии и фундаментальных исследованиях, например, в флуоресцентной микроскопии. Когда исследователи хотят изучить определенный белок внутри клетки, они могут выборочно пометить его антителами, направленными против этого белка. Как только эти так называемые первичные антитела связались со своей мишенью, применяются вторичные антитела. Они связывают первичные антитела, несут флуоресцентные красители, которые светятся под микроскопом, и, таким образом, делают интересующий белок видимым.
Большое разнообразие первичных антител традиционно вырабатывается у мелких млекопитающих, таких как кролики и мыши: сначала животных иммунизируют очищенным белком - это сравнимо с вакцинацией людей. В результате иммунная система животных образует антитела против белка. Наконец, антитела собираются из крови животных и обрабатываются. Поскольку антитела используются тысячами лабораторий по всему миру, и поскольку большинство их приложений основано на вторичных антителах, последние пользуются огромным спросом. Следовательно, для производства вторичных антител необходимо не только множество, но и крупные животные, такие как ослы, козы или овцы. Это создает этическую проблему.
Вторичные нанотела могут образовываться в бактериях
Исследователи из Института биофизической химии им. Макса Планка представили устойчивую альтернативу, которая может заменить вторичные антитела, направленные против первичных антител мышей или кроликов. Он основан на так называемых нанотелах и может резко сократить количество животных, используемых для производства антител. Нанотела представляют собой фрагменты особых антител верблюдов и родственных видов, таких как альпаки. «Мы разработали вторичные нанотела, которые не только очень хорошо работают, но и могут производиться микробиологически в любом масштабе - точно так же, как пиво в ферментере», - объясняет Дирк Гёрлих, директор Института Макса Планка в Геттингене и руководитель проекта..
"Вторичные антитела должны соответствовать чрезвычайно строгим требованиям к качеству и должны обнаруживать только первичные антитела одного вида и никаких структур в анализируемых клетках или медицинских образцах. Таким образом, проблема заключалась в том, чтобы получить планы построения действительно совершенных вторичных нанотел. "Мы начали с огромного количества вариантов, которые мы извлекли из небольшого количества крови двух иммунизированных альпак. С помощью так называемого фагового дисплея мы затем выловили лучшие варианты и в конечном итоге использовали их для программирования бактерий для производства нанотел", - поясняет Тино Плейнер, первый автор работы.
Нанотела были впервые описаны в 1993 году бельгийской группой ученых-первопроходцев. С тех пор исследователи пытаются использовать их для своей работы в лаборатории. Однако замена вторичных антител нанотелами оказалась совсем нетривиальной. Одной из причин является размер нанотел: они в десять раз меньше, чем обычные антитела. Следовательно, они предлагают гораздо меньше места для связывания флуоресцентных молекул и, таким образом, выглядят намного тусклее под микроскопом, чем обычные антитела.
Действительно, наши первые эксперименты с вторичными нанотелами были довольно разочаровывающими и давали только темные и шумные изображения. Однако мы не сдались и снова иммунизировали двух альпак, чтобы стимулировать их иммунную систему для улучшения исходных нанотел. Дальнейшая эволюция в пробирке, особая стратегия связывания флуоресцентных красителей и объединение двух или более совместимых нанотел сделали все остальное», - рассказывает Гёрлих о первоначальных трудностях. К настоящему времени нанотела по крайней мере соответствуют обычным антителам с точки зрения силы сигнала.
Улучшенное разрешение в световой микроскопии
Нанотела имеют явные преимущества перед вторичными антителами. «Флуоресцентная микроскопия сверхвысокого разрешения, например, может оптически разрешать клеточные структуры в диапазоне нескольких нанометров. Однако такие изображения становятся размытыми, когда используются первичные и вторичные антитела, каждое из которых уже имеет размер 15 нанометров. Использование нанотел размером всего три нанометра действительно улучшают разрешение», - говорит Плейнер.
«Мы протестировали вторичные нанотела в других приложениях, помимо микроскопии, и результаты очень многообещающие», - подчеркивает Гёрлих. Особенно новый способ производства у бактерий облегчает их модификацию и слияние с другими репортерными белками, например ферментами. «Мы ожидаем, что во многих приложениях наши нанотела заменят обычные вторичные антитела ослов, коз или овец».