Прикладная биохимия и микробиология, 2019, T. 55, № 4, стр. 410-416
Разработка иммуноферментного анализа Х-вируса картофеля с тираминовой амплификацией
Н. А. Панфёрова 1, В. Г. Панфёров 1, И. В. Сафенкова 1, Ю. А. Варицев 2, А. В. Жердев 1, Б. Б. Дзантиев 1, *
1 Институт биохимии им. А.Н. Баха, Федеральный исследовательский центр
“Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук
119071 Москва, Россия
2 Всероссийский научно-исследовательский институт картофельного хозяйства им. А.Г. Лорха
140051 п. Красково, Московская обл., Россия
* E-mail: dzantiev@inbi.ras.ru
Поступила в редакцию 01.11.2018
После доработки 12.12.2018
Принята к публикации 20.02.2019
Аннотация
Предложен способ снижения предела обнаружения иммуноферментного анализа Х-вируса картофеля, основанный на множественном введении тирамина в иммунные комплексы и последующей детекции ферментной метки. При проведении иммуноферментного анализа постадийно формировался “сэндвич” комплекс, содержащий иммобилизованные антитела – Х-вирус картофеля–конъюгат пероксидазы хрена с антителами к вирусу. Пероксидаза катализировала множественное введение тирамин-биотиновой метки в белковые молекулы, обеспечивая амплификацию сигнала при добавлении конъюгата стрептавидин–полипероксидаза. Установлены условия анализа, обеспечивающие высокую степень амплификации и минимальный фоновый сигнал. Использование тираминовой амплификации позволяло снизить предел обнаружения более чем в 30 раз (с 100 до 3 нг/мл) при анализе в буфере и экстрактах листьев картофеля, незначительно увеличивая его продолжительность. Тираминовая амплификация основана на использовании универсальных реагентов и может быть применена для снижения предела обнаружения иммуноферментного анализа других антигенов.
В настоящее время иммуноферментный анализ (ИФА) широко используется для детекции целевых аналитов в медицинской диагностике [1], пищевой промышленности [2], ветеринарии [3] и мониторинге окружающей среды [4, 5]. Наибольшее распространение получил ИФА в гетерогенном микропланшетном формате. Использование твердого носителя позволяет проводить разделение свободных и связавшихся иммунореагентов путем промывки его лунок. Комплексы антигенов и специфических антител, образующиеся при ИФА, выявляются с помощью конъюгатов иммунореагентов с ферментами, которые детектируются по каталитической активности. В ИФА в качестве метки наиболее распространена пероксидаза хрена (ПХ) [6].
Однако, несмотря на высокую каталитическую активность ПХ, в ряде случаев предел обнаружения ИФА, который для поливалентных антигенов (белков, вирусов и клеток) лимитируется чувствительностью детекции метки, оказывается недостаточным. Для высокочувствительного ИФА может быть использован подход, основанный на детекции оптических свойств наночастиц (длина волны максимума поглощения и значение максимального поглощения), изменяющихся при их взаимодействиях и модификациях [7]. Другой подход для снижения предела обнаружения ИФА основан на амплификации количества детектируемых молекул методом полимеразной цепной реакции (иммуно-ПЦР) [8].
В данной работе представлена схема ИФА, основанная на множественном ковалентном введении тираминовых производных (биотин-тирамин). В работе [9] было показано, что ПХ способна активировать тирамин с образованием высокоактивного свободного радикала, который связывается с тирозиновыми остатками белков, приводя к ковалентному связыванию тирамина с белковыми молекулами. Структурная формула тирамина представлена на рис. 1. Формирование активных радикалов обеспечивает свободная гидроксильная группа в его молекуле, а синтез конъюгатов с биотином (или иными метками) – аминогруппа [10].
Амплификация основана на введении в белковые молекулы множества молекул тирамина, благодаря чему обеспечивается включение в состав иммунных комплексов большего количества метки – флуорофора [11], фермента [12] и др. Тираминовая амплификация была использована для снижения предела обнаружения различных форматов иммуноанализа [13–17].
Цель работы – разработка ИФА с тираминовой амплификацией для высокочувствительной детекции Х-вируса картофеля (ХВК), одного из основных его патогенов [18], и подбор условий его проведения для растительных проб с высоким уровнем эндогенных пероксидаз, обеспечивающих минимальный неспецифический сигнал.
МЕТОДИКА
ХВК выделяли из зараженных растений картофеля методом экстракции/осаждения и последующего градиентного центрифугирования, как описано в [19]. Получение и характеристика моноклональных антител клона 3G4, специфичных к ХВК, приведены в [20], а поликлональных антител к ХВК − в [18]. В работе использовали диметилформамид (ДМФ), 3,3',5,5'-тетраметилбензидин (ТМБ), конъюгат стрептавидин-полипероксидаза, периодат натрия, триэтиламин, тирамин гидрохлорид, цианоборогидрид натрия и пероксидазу хрена (“Sigma”, США), диметилсульфоксид (ДМСО), бычий сывороточный альбумин (БСА) и биотин-N-гидроксисукцинимид (“MP Biomedicals”, Великобритания), яичный альбумин (ЯА) (“Bioreba”, Швейцария), этаноламин (“ICN Pharmaceuticals”, США) и пероксид водорода (“Химмед”, Россия). Все соли, кислоты и растворители были химической чистоты.
Для проведения ИФА использовали 96-луночные прозрачные полистироловые микропланшеты Costar 9018 (“Corning Costar”, США). Отмывку лунок микропланшетов от не связавшихся реагентов проводили с помощью автоматического моющего устройства Biochrom Anthos Fluido 2 (“Biochrom”, Великобритания), а измерения интенсивности окраски в лунках по окончании ИФА – микропланшетного спектрофотометра PerkinElm (“PerkinElmer”, США). Для получения спектров поглощения использовали спектрофотометр Biochrom Libra S80 (“VBW”, Великобритания).
Синтез конъюгатов поликлональных антител с пероксидазой хрена. ПХ конъюгировали с антителами, используя метод периодатного окисления [21]. К раствору ПХ (10 мг/мл в 50 мМ калий-фосфатном буфере, pH 7.4, содержащем 0.1 М NaCl, ФБС) добавляли периодат натрия до конечной концентрации 8 мМ и инкубировали в течение 20 мин. Окисленную ПХ отделяли с помощью центриконов (“Merck Millipore”, США) с порогом отсечения 15 кДа, и добавляли к ней поликлональные антитела к ХВК в 200 мМ натрий-карбонатном буфере, pH 9.5. Мольное соотношение ПХ:антитела составляло 5 : 1. Полученную смесь инкубировали в течение 3 ч, затем добавляли цианоборогидрид натрия до конечной концентрации 50 мкМ и инкубировали в течение 1 ч. Для блокирования не прореагировавших окисленных групп ПХ добавляли этаноламин до конечной концентрации 50 мМ и инкубировали также 1 ч. Полученный конъюгат диализовали три раза против ФБС, добавляли глицерин до конечной концентрации 50% и хранили при – 24°C.
Синтез конъюгата тирамин-биотин. Для конъюгирования тирамин (55 мМ) и биотин-N-гидроксисукцинимид (66 мМ) растворяли в безводном ДМСО и смешивали их равные объемы. В реакционную смесь добавляли 30 мМ триэтиламина и выдерживали при постоянном перемешивании и комнатной температуре в течение 3 ч. Для блокирования избытка активированных групп добавляли этаноламин до конечной концентрации 20 мМ и инкубировали 1 ч. Полученный раствор конъюгата смешивали с равным объемом этанола и хранили при 4°C [22].
Приготовление экстрактов листьев картофеля. Свежесрезанные листья здоровых и инфицированных ХВК растений картофеля помещали в ФБС с добавлением 0.05% детергента Тритон X‑100 (ФБС-Т). Соотношение лист:буфер по массе составляло 1 : 15. Листья тщательно измельчали в ступке в течение 30 с и использовали для анализа без дальнейшей пробоподготовки. Для приготовления искусственно контаминированных экстрактов в экстракты листьев здоровых растений вносили ХВК в известных концентрациях.
Проведение ИФА. На поверхность лунок микропланшета сорбировали моноклональные антитела клона 3G4 (2 мкг/мл в ФБС) в течение 2 ч при 37°C. Микропланшет пятикратно промывали ФБС-Т. Для блокирования поверхности в лунки микропланшета вносили раствор БСА или ЯА (3 мг/мл) и выдерживали в течение 1 ч при 37°С. Далее микропланшет пятикратно промывали ФБС-Т. Затем в лунки микропланшета добавляли по 100 мкл проб, содержащих ХВК в концентрациях от 500 до 0.008 нг/мл (или экстракт с неизвестным содержанием ХВК), инкубировали в течение 1 ч при 37°С и после этого пятикратно промывали ФБС-Т. Далее в лунки микропланшета добавляли 100 мкл конъюгата ПХ с антителами к ХВК в ФБС-Т в различных разбавлениях (1 : 7000, 1 : 5000, 1 : 2000 и 1 : 1000), инкубировали в течение 1 ч при 37°С и промывали ФБС-Т. В лунки микропланшета добавляли раствор субстрата, содержавший ТМБ (0.4 мМ) и Н2О2 (3 мМ) в 40 мМ Na-цитратном буфере, рН 4.0. Смесь инкубировали в течение 10 мин при комнатной температуре. Ферментативную реакцию останавливали добавлением 50 мкл 1 М серной кислоты, и измеряли оптическую плотность при 450 нм (А450). Зависимость оптической плотности от концентрации ХВК строили с помощью программы OriginPro 9.0 (“Origin Lab”, США). Предел обнаружения (ПО) ИФА определяли как количество ХВК, для которого значение А450 превосходило сумму оптической плотности для отрицательного контроля (Blank450) и трех стандартных отклонений (СО): ПО ИФА = Blank450 + 3СО.
Проведение ИФА с тираминовой амплификацией. Сорбцию антител, блокирование поверхности и добавление пробы с ХВК и конъюгата антитела–ПХ выполняли, как описано выше. После пятикратной промывки ФБС-Т вносили раствор, содержавший конъюгат тирамин–биотин в концентрации 20 мкМ (на стадии оптимизации варьировали концентрацию от 100 до 0.1 мкМ) и пероксид водорода (0.08%), и инкубировали в течение 10 мин при комнатной температуре. Микропланшет пятикратно промывали ФБС-Т, добавляли конъюгат стрептавидин–полипероксидаза (1 : 7000 в ФБС-Т) и инкубировали 40 мин при 37°C. После пятикратной промывки микропланшета ФБС-Т добавляли раствор субстрата и регистрировали результаты анализа, как описано в предыдущем разделе.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Оптимизация условий ИФА. Система с прямым введением пероксидазной метки имела меньше этапов, что позволяло снизить неспецифический фон. Анализ основан на формировании “сэндвич” комплекса, содержавшего адсорбированные антитела – ХВК – конъюгат ПХ-поликлональные антитела к ХВК. Для системы без тираминового усиления на стадии 3 (рис. 2) добавляли ТМБ и регистрировали А450.
Для снижения ПО и уменьшения неспецифического связывания была проведена оптимизация условий ИФА без/с тираминовой амплификацией. На каждой из стадий ИФА последовательно варьировали концентрации реагентов, время инкубации и условия промывки. Оптимальными считали параметры, обеспечивающие наименьший ПО анализа и наименьший неспецифический фон. Полученные результаты суммированы в табл. 1.
Таблица 1.
Стадия ИФА либо условия ее проведения | Варьируемые пределы | Оптимальное значение для ИФА | |
---|---|---|---|
без амплификации | с амплификацией | ||
Блокировка поверхности микропланшета | Концентрация белков (БСА, ЯА) 2–3 мг/мл или отсутствие блокировки | Не влияет на характеристики ИФА | Блокировка ЯА (3 мг/мл) снижает фоновый сигнал и увеличивает специфический сигнал |
Состав буфера для промывки микропланшета | ФБС-Т ФБС-Т + 200 мМ NaCl ФБС-Т + 0.1% Тритон X-100 |
Не влияет на характеристики ИФА | Не влияет на характеристики ИФА |
Количество промывок микропланшета | От 3 до 5 | Не влияет на характеристики ИФА | Использование 5 отмывок незначительно снижает фоновый сигнал |
Разведение конъюгата ПХ-антитела | От 1 : 103 до 1 : 105 | Использование конъюгата в разведении 1 : 103 приводит к неспецифическому фону | Специфический сигнал определяется разведением конъюгата. При малых разведениях (1 : 103) наблюдается неспецифический фон |
Концентрация конъюгата тирамин-биотин | 0.1–100 мкМ | Не используется | 15 мкМ |
Время инкубации с конъюгатом тирамин-биотин | 1–30 мин | Не используется | 10 мин. Инкубация свыше 20 мин приводит к высокому фоновому сигналу |
Разведение конъюгата стрептавидин-полипероксидаза | От 1 : 4 × 103 до 1 : 7 × 103 | Не используется | 1 : 7 × 103. Использование разведения 1 : 5 × 103 и менее приводит к высокому фоновому сигналу |
Проведенные эксперименты показали, что для достижения максимального специфического и минимального неспецифического сигналов необходимо блокировать поверхность микропланшета ЯА (3 мг/мл). В выбранных условиях неспецифическое связывание иммунореагентов на последующих стадиях анализа не наблюдали. Блокировка позволяла повысить А450 за счет большего связывания тираминовой метки, активированной ПХ, с тирозиновыми остатками блокирующего ЯА [23]. Все последующие эксперименты проводили в оптимизированных условиях, включающих 5-кратную промывку микропланшета ФБС-Т, концентрацию конъюгата тирамин–биотин – 15 мкМ, время инкубации с конъюгатом тирамин–биотин – 10 мин и разведение конъюгата стрептавидин–полипероксидаза – 1 : : 7 × 103 (табл. 1).
ИФА ХВК в буфере с тираминовой амплификацией. Для определения аналитических характеристик ИФА анализировали ХВК в буфере при разных разведениях конъюгата ПХ–антитела – от 1 : 104 до 1 : 105. Зависимость А450 от концентрации ХВК для ИФА без и с тираминовым усилением представлена на рис. 3.
Из полученных результатов видно, что для ИФА без тираминовой амплификации детектируемый сигнал наблюдался только при разведении конъюгата ПХ–антитела 1 : 104 (рис. 3а, кривая 1). ПО ХВК в ИФА без тираминовой амплификации составлял 100 нг/мл. При использовании больших разведений конъюгата (1 : 5 × 104 и 1 : 105) не наблюдалось окрашивания раствора субстрата даже при высоких концентрациях вируса (более 200 нг/мл).
Для ИФА с тираминовой амплификацией, чем большее количество ПХ вводили на стадии формирования сэндвич-комплекса (рис. 2, стадия 3), тем больше активировалась тираминовая метка и больше конъюгата стрептавидин-полипероксидаза вводилось в состав иммунного комплекса (рис. 2, стадии 4 и 5). В связи с этим ПО ИФА с тираминовым усилением зависела от разведения конъюгата ПХ. Так, при разведении конъюгата ПХ 1 : 104, 1 : 5 × 104 и 1 : 105 ПО ХВК в буфере оказался равен 3, 10 и 20 нг/мл соответственно (рис. 3б). Использование меньших разведений конъюгата ПХ было ограничено неспецифическим окрашиванием даже в схеме без тираминовой амплификации.
Детекция ХВК в экстрактах листьев картофеля. Листья картофеля характеризуются высокой эндогенной пероксидазной активностью, которая в используемом ИФА может привести к высокому фоновому сигналу из-за неспецифического введения тираминовой метки. Выбранные условия ИФА (блокировка поверхности и оптимизированные концентрации реагентов, см. табл. 1) нивелировали эндогенную пероксидазную активность, что позволяло проводить ИФА в растительных экстрактах. Зависимости А450 от содержания вируса в растительном экстракте представлены на рис. 4.
Из полученных результатов (рис. 4б) видно, что тираминовая амплификация снижала ПО ХВК в экстрактах листьев картофеля более чем в 30 раз – с 100 до 3 нг/мл.
ИФА с тираминовой амплификацией и без нее были применены для детекции ХВК в экстракте листьев картофеля. Были протестированы 9 экстрактов до и после их разбавления (в 10, 50, 100, 200 раз) здоровым экстрактом. Полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2.
Экстракт | Вариант ИФА | Разбавление | |||
---|---|---|---|---|---|
10 | 50 | 100 | 200 | ||
№ 1 | Без амплификации | + | + | – | – |
С амплификацией | + | + | + | + | |
№ 2 | Без амплификации | + | + | + | + |
С амплификацией | + | + | + | + | |
№ 3 | Без амплификации | + | – | – | – |
С амплификацией | + | + | – | – | |
№ 4 | Без амплификации | + | – | – | – |
С амплификацией | + | + | + | – | |
№ 5 | Без амплификации | + | + | + | – |
С амплификацией | + | + | + | + | |
№ 6 | Без амплификации | + | + | – | – |
С амплификацией | + | + | + | + | |
№ 7 | Без амплификации | + | + | + | – |
С амплификацией | + | + | + | + | |
№ 8 | Без амплификации | + | – | – | – |
С амплификацией | + | + | – | – | |
№ 9 | Без амплификации | – | – | – | – |
С амплификацией | – | – | + | – |
Использование тираминовой амплификации в ИФА позволяло детектировать ХВК в сильно разбавленных экстрактах по сравнению с не амплифицированным форматом ИФА. Экстракт листьев здорового растения (№ 9) показал отрицательный результат в ИФА как с тираминовой амплификацией, так и без нее.
Сравнение пределов обнаружения анализа без/с тираминовой амплификации. Показано, тираминовая амплификация обладает различной эффективностью (табл. 3). Разработанный в данной работе ИФА с тираминовой амплификацией позволил снизить ПО в 30 раз, что оказалось сопоставимо с ранее описанными реализациями этого подхода. Следует отметить, что тираминовая амплификация до настоящего времени не использовалась при анализе проб с высокой эндогенной пероксидазной активностью.
Таблица 3.
Аналит | Снижение предела обнаружения, раз | Матрикс | Ссылка |
---|---|---|---|
Респираторно-синцитиальный вирус человека | 50 | Разбавленная сыворотка | [10] |
Salmonella typhimurium | 50 | Пробы мяса | [24] |
Последовательность нуклеиновой кислоты | 10–50 | Разбавленная сыворотка | [25] |
Альфа-фетопротеин | 17 | Разбавленная сыворотка | [16] |
IgG | 10 | Буфер | [26] |
IgG | 10 | Буфер | [27] |
Х-вирус картофеля | 30 | Растительный экстракт | Данная работа |
Предложенный формат ИФА был применен для определения ХВК в экстрактах листьев картофеля. Высокая чувствительность детекции фитопатогенов позволяла выявлять инфицирование на начальных стадиях и диагностировать латентные инфекции, сопровождающиеся отсутствием внешних симптомов и накоплением малых количеств патогена.
Таким образом, разработан способ снижения ПО ХВК методом ИФА, основанный на множественном введении тираминовой метки. При анализе экстракта листьев картофеля тираминовая амплификация с применением ПХ позволила снизить ПО ХВК с 100 до 3 нг/мл. Тираминовая амплификация, которая относится к универсальному методу снижения ПО иммуноанализа, может быть использована для высокочувствительной детекции других антигенов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-14-01131).
Список литературы
Tighe P.J., Ryder R.R., Todd I., Fairclough L.C. // Proteomics Clin. Appl. 2015. V. 9. № 3–4. P. 406–422.
Asensio L., González I., García T., Martín R. // Food Control. 2008. V. 19. № 1. P. 1–8.
Wild D. The Immunoassay Handbook. Waltham: Elsevier, 2013. 987 p.
Zhang Z., Zeng K., Liu J. // Trends Anal. Chem. 2017. V. 87. P. 49–57.
Watanabe E., Miyake S., Yogo Y. // J. Agric. Food Chem. 2013. V. 61. № 51. P. 12459–12472.
Vashist S.K., Luong J.H.T. Handbook of Immunoassay Technologies Approaches, Performances and Applications. N. Y.: Academic Press, 2018. 478 p.
Satija J., Punjabi N., Mishra D., Mukherji S. // RSC Adv. 2016. V. 6. № 88. P. 85440–85456.
Chang L., Li J., Wang L. // Anal. Chim. Acta. 2016. V. 910. P. 12–24.
Bobrow M.N., Harris T.D., Shaughnessy K.J., Litt G.J. // J. Immunol. Methods. 1989. V. 125. № 1–2. P. 279–285.
Zhan L., Yang T., Li C.M., Wu W.B., Huang C.Z. // Sens. Actuators B Chem. 2018. V. 255. P. 1291–1297.
Speel E.J.M., Ramaekers F.C.S., Hopman A.H.N. // J. Histochem. Cytochem. 1997. V. 45. № 10. P. 1439–1446.
Liu P., Li C., Zhang R., Tang Q., Wei J., Lu Y., Shen P. // Biosens. Bioelectron. 2018. V. 126. P. 543–550.
Kubota K. // Microbes Environ. 2013. V. 28. № 1. P. 3–12.
Meany D.L., Hackler L., Zhang H., Chan D.W. // J. Proteome Res. 2011. V. 10. № 3. P. 1425–1431.
Akama K., Shirai K., Suzuki S. // Anal. Chem. 2016. V. 88. № 14. P. 7123–7129.
Li X., Chen B., He M., Xiao G., Hu B. // Talanta. 2018. V. 176. P. 40–46.
Lucas-Garrote B., Morais S., Maquieira A. // Sens. A-ctuators B Chem. 2017. V. 246. P. 1108–1115.
Бызова Н.А., Сафенкова И.В., Чирков С.Н., Жердев А.В., Блинцов А.Н., Дзантиев Б.Б., Атабеков И.Г. // Прикл. биохимия и микробиология. 2009. Т. 45. № 2. С. 225–231.
Nikitin N., Ksenofontov A., Trifonova E., Arkhipenko M., Petrova E., Kondakova O., Kirpichnikov M., Atabekov J., Dobrov E., Karpova O. // FEBS Lett. 2016. V. 590. № 10. P. 1543–1551.
Safenkova I., Zherdev A., Dzantiev B. // Anal. Bioanal. Chem. 2012. V. 403. № 6. P. 1595–1605.
Hermanson G.T. Bioconjugate Techniques. San Diego: Acad. Press, 2013. 1146 p.
Hopman A.H.N., Ramaekers F.C.S., Speel E.J.M. // J. Histochem. Cytochem. 1998. V. 46. № 6. P. 771–777.
Bhattacharya R., Bhattacharya D., Dhar T.K. // J. Immunol. Methods. 1999. V. 227. № 1–2. P. 31–39.
Herzig G.P.D., Aydin M., Dunigan S., Shah P., Jeong K.C., Park S.H., Ricke S.C., Ahn S. // J. Food Saf. 2016. V. 36. № 3. P. 383–391.
Zerbini M., Cricca M., Gentilomi G., Venturoli S., Gallinella G., Musiani M. // Clin. Chim. Acta. 2000. V. 302. № 1–2. P. 79–87.
Yuan L., Xu L., Liu S. // Anal. Chem. 2012. V. 84. № 24. P. 10737–10744.
Fu C., Jin S., Shi W., Oh J., Cao H., Jung Y.M. // Anal. Chem. 2018. V. 90. № 22. P. 13159–13162.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Прикладная биохимия и микробиология