May 18, 2023
脳
Rapporti scientifici Volume 13,
Scientific Reports volume 13、記事番号: 7740 (2023) この記事を引用
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メトリクスの詳細
この研究は、高感度イムノアッセイを使用したマウス血清および血漿中の BDNF レベルの定量化と検証に関するものです。 BDNF レベルはヒト血清中で容易に検出できますが、ヒト血小板から放出される BDNF が血清 BDNF レベルの主な原因であるため、これらの測定の機能的意味は不明です。 マウスの血小板には BDNF が含まれていないため、この交絡因子はマウスには存在しません。 したがって、マウスの血清および血漿中の BDNF レベルは、血清については 9.92 ± 1.97 pg/mL、血漿については 10.58 ± 2.43 pg/mL で区別できないことがわかりました (p = 0.473)。 これらのレベルはヒト血清で測定されたレベルよりも約 1,000 倍低く、抗 BDNF による事前吸着では BDNF シグナルが顕著に減少しましたが、抗 NGF または抗 NT3 モノクローナル抗体では減少しませんでした。 これらの結果は、ヒトの病理学的状態を模倣する既存のマウスモデルを使用して、アクセス可能な体液中のバイオマーカーとしてのBDNFレベルの関連性を調査する可能性を切り開きます。
神経変性疾患の診断と治療介入のモニタリングは、関連するバイオマーカーの開発と検証から大きな恩恵を受けるでしょう。 脳由来神経栄養因子 (BDNF) の複数の役割を考慮すると、適切な動物モデルおよび関連する体液における BDNF レベルを測定する信頼性の高い効率的な方法が望まれます。 いくつかの BDNF 酵素結合免疫吸着検定法 (ELISA) が利用可能ですが、脳抽出物やヒト血清など、BDNF レベルが比較的高い組織でのみ測定が可能です。 対照的に、これらの ELISA の感度は、マウス血清中の BDNF レベルを測定するには十分ではありません 1、2、3、4。 マウスは、バイオマーカーの関連性やヒトの疾患を反映する状態との相関関係をテストするために最も一般的に使用される動物モデルであるため、市販の高感度 ELISA を使用してマウス血液サンプル中の BDNF レベルを測定することにしました。 マウスでは、ヒトとは異なり、Bdnf 遺伝子は巨核球で有意なレベルで発現されていません 3。巨核球は、ヒトの血小板に蓄えられ、血液凝固の過程で血小板の活性化と脱顆粒によって放出される BDNF の供給源です。 それにもかかわらず、最近の結果は、BDNF がマウスの血液中に存在し、骨格筋組織を含む血小板以外のソースに由来することを示しています 4。 さらに、マウス血液中の BDNF は生理学的に関連しており、膵臓 β 細胞によって発現される短縮型 BDNF 受容体 TrkB (TrkB.T1 と呼ばれる) を活性化できることが同じ研究で示されました。 TrkB.T1 受容体は神経系の外側に広く発現しているため、血液由来の BDNF は内分泌膵臓を超えた組織を標的としている可能性が高いと考えられます。 マウス血液中の BDNF レベルの定量化はまだ不可能であるため、マウス血液中の BDNF レベルの変動が神経系の機能に影響を与える症状とどの程度相関するかは不明のままです。
我々は、マウス血液中の BDNF レベルの測定を可能にする BDNF ELISA の特性評価と検証を報告します。 これらのレベルは霊長類で見られるレベルよりも 3 桁低く 5、マウス巨核球では検出可能な Bdnf 遺伝子発現が欠如していることと一致しています。 マウス血清と血漿の間でBDNFレベルに差は見られませんでした。
血液サンプルを成体雄および雌マウスから採取し、製造業者の指示に従ってBDNFレベルを測定した(「方法」セクションを参照)。 血清中の平均BDNF濃度は低いpg/mlの範囲にあり、対応のないt検定でp = 0.126で男性と女性の間で有意な差がないことが判明しました(図1a、bを参照)。 報告されているヒトにおけるBDNFの血清レベルはかなりばらつきがあるが(例えば、Polacchini et al. 20156およびNaegelin et al. 20187およびその参考文献を参照)、血液凝固中の血小板含有量の放出を反映して、ヒトでは約1,000倍高い。 。 マウス巨核球における Bdnf 遺伝子の顕著な発現の欠如と、マウス血小板溶解物を用いたウェスタンブロット実験における BDNF の関連欠如 3 から、我々は、同じ BDNF ELISA を使用して雄と雌の両方の動物の血漿中の BDNF レベルを測定することを促しました。血清の場合 (図 2a、b)。 さらに 12 匹のマウス (雄 6 匹、雌 6 匹、いずれも 8 週齢) から血清サンプルを採取し、さらに 12 匹のマウス (雄 6 匹、雌 6 匹、すべて 8 週齢) から血漿サンプルを採取しました。 平均 BDNF 濃度は有意な差はありませんでした: 血清については 9.92 ± 1.97 pg/mL、血漿については 10.58 ± 2.43 pg/mL (p = 0.473、対応のない t 検定)。 血清または血漿のいずれにおいても、男性と女性の間に差は見られませんでした。男性血清 10.31 ± 1.64 pg/mL、女性血清 9.53 ± 2.34 pg/mL (p = 0.512)、男性血漿 10.58 ± 3.01、女性血漿 10.57 ± 1.98 pg/mL mL (p = 0.999、対応のない t 検定)。 このデータは、マウスでは血小板が血液中に見出されるBDNFの供給源ではないことを裏付けており、ヒトでは血小板に主要な貯蔵庫が含まれており(上記参照)、その結果、ヒトの血清BDNF濃度は血漿中よりも約10倍高くなります7,8。
成熟 BDNF ELISA キット Wako、High Sensitive (Fujifilm、Wako #298-83,901) を使用したマウス血清サンプルの BDNF ELISA 結果。 (a) C57BL6/J マウスからの血清サンプルの BDNF 濃度 (pg/mL)。 点は各三重測定の濃度を示し、列は各個人からのサンプルの 3 つの三重測定の平均を示し、エラーバーは 3 つの三重測定の標準偏差を示します。 (b) 雄および雌の C57BL6/J マウスの平均血清 BDNF 濃度、p = 0.128、対応のない t 検定。 点は個々の動物の濃度(三連の平均)を示し、列はグループの平均を示し、エラーバーは標準偏差を示します。
マウス血清および血漿サンプルの BDNF ELISA の結果。 (a) C57BL6/J マウスからの血清および血漿サンプルの BDNF 濃度 (pg/mL)。 点は各三重測定の濃度を示し、列は各個人からのサンプルの 3 つの三重測定の平均を示し、エラーバーは 3 つの三重測定の標準偏差を示します。 (b) 血清および血漿サンプルの平均濃度。 点は個々の動物の濃度(三連の平均)を示し、列は群の平均を示し、エラーバーは標準偏差を示し、p = 0.473、対応のない t 検定。
マウス血清および血漿中の BDNF ELISA 値はバックグラウンドを大幅に上回っていますが、実際には非常に低く、マウス血清サンプル中の BDNF の検出が以前失敗したことの説明となる可能性があります。 しかし、発光ELISAシグナルの強度が低いため、このシグナルがマウス血清または血漿中のBDNFの存在を本当に反映しているかどうかという疑問が生じます。 この重要な点を明らかにする試みとして、AB#9 と呼ばれ、以前の研究で詳細に特徴付けられた BDNF モノクローナル抗体 9,10 をビーズ結合プロテイン G に固相結合させ、この抗体が BDNF シグナルを減少させるかどうかをテストするために使用しました。マウス血清サンプルを 3 時間インキュベートした後。 結果は、プロテインGビーズのみとインキュベートした対照血清サンプルではシグナルの減少が見られず、実際にそのとおりであることを示しています(図3a、b)。 BDNF は神経成長因子 (NGF) やニューロトロフィン 3 (NT3) を含むニューロトロフィンの小さなファミリーのメンバーであるため、BDNF シグナルの減少が BDNF 結合に特異的であることも確認しました。 次に、抗 NGF11 または抗 NT3 モノクローナル抗体 12 でコーティングされたプロテイン G ビーズをマウス血清サンプルとインキュベートし、上清中の BDNF レベルを測定しました。 BDNFモノクローナル抗体AB#9で得られた結果とは対照的に、抗NGFまたは抗NT3抗体による吸着の前後で血清上清をアッセイした場合、有意な差は観察されませんでした(図3a、b)。 まとめると、これらの結果は、たとえこれら 3 つのタンパク質が類似の結合によって例示されるように密接に関連したホモ二量体を形成しているにもかかわらず、本研究で使用した BDNF ELISA によって検出されたシグナルは、NGF や NT3 ではなく、マウス血清中の BDNF の存在を特異的に反映していることを示唆しています。ニューロトロフィン受容体 p7513 に対する親和性。
異なるニューロトロフィンに対する抗体とインキュベートした後のプールされた血清サンプルの BDNF ELISA の結果。 (a) プロテイン G ビーズのみ (コントロール)、抗 NT3 コーティングされたプロテイン G ビーズ、抗 NGF コーティングされたプロテイン G ビーズ、および抗 BDNF コーティングされたプロテイン G ビーズとインキュベートした後のプールされた血清サンプルの BDNF 濃度。 点は各三重測定の濃度を示し、列は各個人からのサンプルの 3 つの三重測定の平均を示し、エラーバーは 3 つの三重測定の標準偏差を示します。 (b) プロテイン G ビーズのみ (対照)、抗 NT3 コーティングされたプロテイン G ビーズ、抗 NGF コーティングされたプロテイン G ビーズ、および抗 BDNF コーティングされたプロテイン G ビーズとのインキュベーション後の平均血清 BDNF 濃度。 点は個々のサンプルの濃度 (3 回の平均)、列はグループ平均、エラーバーは標準偏差を示します。p = 0.0001 一元配置分散分析。
この研究の主な結果は、BDNF 特異的抗体を使用して検証された市販の ELISA を使用して、マウス血液中の BDNF レベルを容易に定量できることです。 予想通り、以前にELISAによるマウス血清中のBDNFレベルの定量化に失敗したことを考えると1、3、これらのレベルはヒト血清中で測定されたBDNFレベルと比較すると著しく低い(「はじめに」を参照)。 この種の違いは、ヒト血小板の場合とは異なり、マウス血小板には検出可能なレベルの BDNF が存在しないことで容易に説明できます 3。 血清と血漿中の BDNF 濃度の類似性は、ヒトのサンプルとは対照的に、マウス血清中で検出された BDNF が血小板に由来しないことをさらに示しています。 実際、血清とは対照的に、新鮮な血液からの血漿採取には、血小板の活性化と脱顆粒を防ぐ採血時の EDTA の添加が含まれます (図 4 および「方法」セクションを参照)。 マウス血漿中の BDNF の存在は定量ではないが、固相結合 TrkB 試薬を含む BDNF 濃縮手順を使用したウェスタンブロットによる最近の研究で報告されています 4。 この同じ研究により、マウスの血液中の BDNF の主な供給源が骨格筋組織である可能性があることも判明しました。
マウスの血清および血漿中の BDNF レベルは、骨格筋などのソースに由来するため、血小板の活性化/脱顆粒後も変化しません。 EDTA の添加により、血小板は血漿製剤中では静止状態に留まります。 人間の場合、これは血小板内の BDNF の大きな貯蔵庫が血小板顆粒内に残っていることを意味します (a)。 血清調製により血小板の活性化と脱顆粒が引き起こされ、血清中で検出可能な BDNF 濃度がはるかに高くなります (b)。 マウスは巨核球/血小板で BDNF を発現しないため、BDNF の濃度は血小板の活性化の影響を受けませんでした。 血漿 (c) 濃度と血清 (d) 濃度の類似性は、少量の BDNF が非血小板源に由来することを示唆しています。 Biorender.com を使用して作成されました。
一部のマウスサンプルでは、3 回の測定値の予想よりも広い広がりが示されたことに注目します (図 1a、サンプル M4、M5、M9 を参照)。これは、96 ウェル プレート内のサンプルの位置がこの変動に寄与している可能性があることを示唆しています。 1 つのサンプルは隅のウェルにあり、他の 2 つは非常に高い発光を示すサンプルに隣接しています。 96 ウェル プレートは不透明ですが、隣接するウェルからの発光のオーバーフローが、観察される 3 回の変動の一部に寄与している可能性があります。 実際には、この問題は、BDNF 標準曲線の高い値にあるサンプルの隣に、低い発光値を持つと予想されるサンプルを配置しないようにすることで軽減できます。
ここで使用する BDNF ELISA キットは、感度が高いだけでなく、BDNF モノクローナル抗体 AB#9 でマウス血清サンプルを吸着すると BDNF ELISA シグナルが大幅に減少するため、BDNF に特異的です (図 3b)。 この減少は、AB#9 を NGF または NT3 に対して生じたモノクローナル抗体で置き換えた場合には観察されませんでした (図 3a)。 標的特異性に関しては、AB#9 は BDNF 天然タンパク質 9 に対して生成されたのに対し、ELISA キットで捕捉抗体として使用された抗 BDNF モノクローナルは成熟 BDNF のアミノ末端に対応するペプチドに対して生成されたことに注意する必要があります。 したがって、この研究で使用した 2 つの BDNF モノクローナル抗体が同一のエピトープを認識する可能性は低いです。 さらに、血清調製により、血小板からの大量かつ多様な成長因子およびサイトカイン、たとえば血小板由来成長因子 (PDGF) や TGF-β114,15 の放出が引き起こされます。 したがって、マウスの血漿サンプルと血清サンプルの間で BDNF 濃度に差が見られなかったことは注目に値し、研究で使用した ELISA キットの特異性をさらに実証しています。
マウス血清中のBDNFを、たとえ非常に低レベルであっても定量化するための堅牢な方法が利用可能になったことにより、関連するマウスモデルにおける血糖値の調節におけるBDNFの役割を含む、代謝プロセスにおけるBDNFの役割を調査する可能性が開かれました。 Fulgenziらによって示唆されているように。 (2020)4、身体運動は骨格筋組織だけでなく BDNF の血中濃度も上昇させる可能性があります。 対照的に、ヒトでは、血清中の BDNF レベルの測定値の解釈は血小板 BDNF の影響を受けるため、他の組織からの関連する機能的寄与がわかりにくくなる可能性があります。 BDNF の血漿濃度はヒトで測定されていますが、結果は非常にばらつきがあり、採血の過程での血小板活性化の程度を反映していると考えられます。 ヒト血小板内の BDNF のレベルは、血小板のごく一部が活性化されるだけでも、血漿中で測定される BDNF 濃度に顕著な影響を与えるのに十分なレベルです。 ヒト血漿 BDNF レベルの測定には、∝顆粒内で BDNF と共局在する血小板因子 4 (PF4) などの血小板活性化マーカーを追加測定して、活性化の程度を評価する必要があります。
ここで説明する BDNF ELISA の特性により、適切なマウス体液中の BDNF レベルの定量化が可能になります。 これにより、うつ病 16、アルツハイマー病 17、自閉症、統合失調症 18 などのヒトの症状を模倣したマウスモデルを評価して、マウスの血清、血漿、脳脊髄液 (CSF)、または房水中の BDNF レベルが機能的表現型と相関するかどうかを判定できる可能性が開かれました。
生きた動物には処置は行われず、血液採取は死後に完了した。 マウスの研究はカーディフ大学動物福祉倫理審査機関によって承認され、すべての実験は 1986 年内務省動物法 (科学的手順) および研究所 (カーディフ大学) の規制およびガイドラインの範囲内で実施されました。 方法と結果はARRIVEガイドラインに従って報告されています。 サンプル収集前に、マウスを M3 ケージ (48 × 15 × 13 cm、床面積 510 cm2) に 1 ケージあたり 1 ~ 5 匹の成体マウスで収容し、室温 20 ~ 24 °C、湿度 55% に制御しました。 ±10%。 動物は12時間の明暗サイクルで維持され、食物は自由に摂取した。
C57BL/6 J マウス (Charles River) を CO2 を使用して殺処分し、心臓穿刺による死亡直後に血液を採取し、血漿または血清のいずれかのために処理しました。 各マウスから約 800 ~ 1000 μL の全血を収集しました。
血液サンプルをエッペンドルフチューブに移し、室温で 1 時間、続いて 4 °C で 1 時間放置しました。 次に、サンプルを 4 °C、2000 G で 10 分間遠心分離しました。 血清を(チューブの上部から)収集し、2000G、4℃で10分間再度遠心分離して、残っている細胞を取り除きました。 その後、血清サンプルは必要になるまで -80 °C で保存されました。
20 μL の 500 mM EDTA を含むシリンジに血液を採取し、穏やかによく混合しました。 次に、サンプルを 4 °C、2000 G で 10 分間遠心分離しました。 次に、血漿の上部 2/3 を慎重に取り出し、新しいチューブに移した後、さらに精製するために 4 °C、2000 G で 10 分間再遠心分離しました。 次に、この血漿を、チューブの底に残っている破片を乱さないように注意しながら収集し、必要になるまで-80 °Cで保存するために小分けしました。
血清および血漿中の BDNF 濃度の定量は、Mature BDNF ELISA Kit Wako, High Sensitive (Fujifilm、Wako #298-83,901) を製造元の指示に従って使用し、ELISA キットに含まれる試薬を使用して実行されました。 簡単に説明すると、サンプルをキット緩衝液と付属の試薬を使用して調製した BDNF 標準で 4 倍に希釈し、10 ng/mL のストック溶液を生成しました。 次に、このストックを提供された緩衝液と混合して、キットの説明書に従って一連の標準溶液を生成しました。 次いで、最初にELISAプレートを満たしていた溶液を廃棄し、キットに含まれる洗浄溶液(1×)でウェルを4回洗浄した。 各洗浄後にプレートを裏返し、清潔なペーパータオルに拭き取り、ウェル内に残った余分な液体を除去した。 50 μL の希釈標準溶液と希釈サンプルをそれぞれのウェルに添加し、各標準およびサンプルに対して 3 つのウェルを使用しました。 次にプレートに蓋をし、マイクロプレートシェーカー上で室温 (20 ~ 25 °C) で 2 時間撹拌しました。 2時間のインキュベーション後、溶液を廃棄し、ウェルを上記と同様に洗浄溶液で再度4回洗浄した。 ビオチン結合抗体溶液 50 μL を各ウェルに加え、プレートを覆い、再びシェーカー上で室温で 1 時間インキュベートしました。 次いで、溶液を廃棄し、ウェルを上記のように洗浄緩衝液で4回洗浄した。 ペルオキシダーゼ結合ストレプトアビジン溶液 50 μL を各ウェルに加え、プレートを覆い、シェーカー上で室温で 30 分間インキュベートしました。 洗浄バッファーによる最後の一連の 4 回の洗浄の後、50 μL の混合発光試薬 1 および 2 (1:1) を各ウェルに添加し、プレートをシェーカー上に 1 分間置き、その後 96 μL を使用して発光を測定しました。ウェルマイクロプレートリーダー(FLUOstar Omega、BMG Labtech)。 測定は発光試薬の添加から10分後に行った。 標準溶液を使用して、実験サンプル中の BDNF 濃度を決定するために使用される発光を BDNF 濃度に変換する標準曲線を作成しました。
60 μL のセファロース プロテイン G ビーズを洗浄し、PBS に再懸濁しました。 次に、これらを、30 μg の抗 BDNF (Ab#9)、抗 NGF、抗 NT3 モノクローナル抗体 (参考文献については「結果」セクションを参照)、または PBS 単独のいずれかとともに、断続的にボルテックスしながら氷上で 1 時間インキュベートしました。 次いで、ビーズを12,000Gで30秒間遠心分離し、その後上清を廃棄し、ビーズをさらに100mLのPBSに再懸濁した。 これを 3 回繰り返して、残っている未結合の抗体がすべて除去されたことを確認しました。
プールしたサンプルの血清を、Mature BDNF ELISA Kit Wako, High Sensitive (Fujifilm、Wako #298-83,901) に含まれる緩衝液を使用して 4 倍に希釈しました。 次に、各ビーズ含有溶液を 600 μL の希釈血清に再懸濁し、断続的にボルテックスしながら氷上で 3 時間インキュベートしました。 次いで、サンプルを12,000Gで30秒間遠心分離し、上清を新しいエッペンドルフチューブに移した。 このプロセスを 3 回繰り返して、すべてのプロテイン G ビーズが血清サンプルから確実に除去されたことを確認しました。 次いで、上で詳述したELISA手順を使用してBDNF濃度を測定した。
サンプル サイズは、有意水準 0.05 を仮定し、検出力 90% で、血清と血漿間の 1.25 倍の差を検出する検出力計算 (Gpower)19 を使用して選択されました (ヒトでは、血清中の BDNF 濃度は BDNF の約 10 倍です)。血漿中)。 統計分析は、GraphPad Prism ソフトウェア (バージョン 8) を使用して実行されました。 データセットの正規性は、Shapiro-Wilk 検定を使用してテストされました (アルファ = 0.05 の場合に正規性検定に合格)。 次に、対応のない t 検定を使用するか、一元配置分散分析を使用して複数のグループを比較し、正規分布グループの比較を実行しました。
この研究に含まれる生の発光 ELISA 測定のすべてのデータセットは、補足情報に記載されています。
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資金はウェールズ臨床アカデミック トラック プログラムによって提供されました。
カーディフ大学検眼・視覚科学部、カーディフ、CF24 4HQ、英国
アンドリュー・ワント & ジェームス・E・モーガン
カーディフ大学生物科学部、カーディフ、CF10 3AX、英国
イヴ・アラン・バルド
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AW はすべての血漿および血清サンプルの収集を完了し、すべての ELISA 手順を実行してデータを分析しました。 AWとYBが原稿を書きました。 プロジェクトの設計と監督は YB と JEM によって提供されました。著者全員が最終原稿を読んで承認しました。
イヴ=アラン・バルドへの通信。
富士フイルム和光純薬株式会社は、本研究で使用したBDNF ELISAキットの提供と動物費用の支援を行いました。 YB は富士フイルム和光純薬株式会社のコンサルタントです。 AW の給与は、ウェールズの臨床アカデミック トラック プログラムによって提供されました。 JEMには競合する利害関係はありません。
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ウォント、A.、モーガン、JE、バーデ、YA。 高感度で特異的な酵素結合免疫吸着アッセイを使用した、マウス血清および血漿中の脳由来神経栄養因子の測定。 Sci Rep 13、7740 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34262-0
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受信日: 2023 年 3 月 15 日
受理日: 2023 年 4 月 26 日
公開日: 2023 年 5 月 12 日
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34262-0
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