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Partikelbasierte Multianalyt- Fluoreszenzimmunoassays für die Unweltanalytik und Biotechnologie
(2021)
Zur Beurteilung der Wasserqualität können Markersubstanzen, wie Carbamazepin, Diclofenac, Koffein und Gallensäuren, verwendet werden. Erhöhte Konzentrationen dieser anthropogenen Marker weisen auf Einleitstellen von Abwasser hin und zeigen somit an, wo Gewässer verschmutzt werden. Diese Arbeit beschreibt deshalb die Etablierung, Optimierung und Validierung eines partikelbasierten Suspensionsarray Fluoreszenzimmunoassays (SAFIA), mit dem diese Substanzen gleichzeitig und parallel in vielen Proben quantitativ bestimmt werden können. Für SAFIA wurde das Format des kompetitiven indirekten Immunoassays gewählt. Als Plattform wurden fluoreszenzintensitätscodierte Polystyrol-Kern/Siliziumdioxid-Schale-Partikel, auf deren Oberfläche Haptene als kompetitive Bindungsstellen für Antikörper immobilisiert wurden, verwendet. Hier zeigte sich, dass eine selektive Erkennung der Haptenstruktur auf der Oberfläche der Partikel durch die Antikörper nur gegeben war, wenn die Partikel zusätzlich mit Polyethylenglykolgruppen funktionalisiert wurden. Zum Auslesen des Fluoreszenzsignals wurde ein Durchflusszytometer verwendet. Kompatibilität mit der Durchführung in Mikrotiterplatten wurde erreicht, indem eine Stopp-lösung für den SAFIA, basierend auf Formaldehyd, entwickelt wurde. Nach der Optimierung der Assayparameter können die oben genannten vier Analyten gleichzeitig in einer Probe mindestens bis zu einer Konzentration von 0.3 μg L-1 nachgewiesen werden. Der Assay kann ohne Wasch-schritte ausgeführt werden und ist somit einfacher als konventionelle Immunoassays, wie z. B. ELISA. Der SAFIA wurde hinsichtlich Interferenzen und Selektivität untersucht. Dabei zeigte sich, dass Matrixbestandteile, die in wässrigen Umweltproben vorkommen, keinen bzw. nur einen ge-ringen Einfluss auf den SAFIA hatten. Im simulierten Umweltscreening eines Flusses und mithilfe der Analyse von Abwasserproben wurde SAFIA validiert; hier zeigte SAFIA eine mit ELISA vergleich-bare Genauigkeit, bei gleichzeitiger Senkung der Analysenzeit und -kosten. Die gleichzeitige Detektion mehrerer anthropogener Marker erlaubte zudem Rückschlüsse auf die Art von Verschmutzungsquellen, im Gegensatz zu ELISA, mit dem nur ein Analyt bestimmt werden kann. Da hochaffine Antikörper für Immunoassays essenziell sind, wurde ein SAFIA zum Screening antikörperproduzierenden Zellen (Hybridomzellen) entwickelt und eingesetzt. Durch die Implementierung eines Sandwichimmunoassays zur IgG Bestimmung und durch Verwendung von homo- und heterologen Haptenstrukturen konnten aus einem Pool von Hybridomzellen diejenigen ausgewählt werden, deren sekretierter Antikörper die geringsten Nachweisgrenzen im Immunoassay erlauben. Damit konnte das Anwendungsspektrum des SAFIA maßgeblich vergrößert werden. Er vereinfacht als biotechnologisches Werkzeug stark sowohl die Produktion von monoklonalen Antikörpern als auch die Analyse von Umweltproben.
Clinical, environmental, and food analysis, require efficient and accurate quantitative analysis. Immunoassays take advantage of highly selective and affine binding of an antibody towards an antigen, being easy-to-use and allowing for high sample throughput. However, common immunoassays, e. g. ELISA are not capable of multiplexed analysis, thus limiting possible applications. On the other hand, multi-analyte methods, e.g. liquid chromatographytandem mass spectrometry requires expensive equipment, trained analysts and the time of analysis usually limits sample throughput. This bottleneck can be overcome combining the suspension array technology, where particles are encoded to allow multiplexed detection, with fluorescence immunoassays to create suspension array fluorescence immunoassays (SAFIA).
Polystyrene core/silica shell microparticles serve as platform for SAFIA. While an encoding dye is introduced in the polystyrene core, the silica shell is used for immobilization: For competitive hapten immunoassays small molecules are immobilized on the surface, serving as a competitive binding site for selective antibodies. For quantification of proteins, antibodies can be immobilized on the surface and the sandwich immunoassay format can be employed. All mentioned immunoassays can be executed wash-free and highly parallelized, allowing up to 500 determinations within three hours. In contrast to ELISA, short incubation times, a wash-free mix-and-read procedure and automated flow-cytometric read-out makes SAFIA applicable for even non-trained personal.
SAFIA showed excellent performance in studies on the origin and fate of drug residues in waste water, which is important to assess clearance rates of wastewater treatment plants. Furthermore, SAFIA can be employed in environmental screenings, detecting pollution of natural river waters by tracking anthropogenic marker substances. It was successfully employed in clinical and food analysis applications, e.g. the quantification of the anti-inflammatory drug diclofenac in breast milk or the quantification of caffeine in beverages. Due to multiplexing capacities, SAFIA can significantly improve biotechnological processes, as in the screening of hybridoma cells for selective and efficient antibody production. For small molecule analytes, limits of detection down to 4 ng/L and for proteins below 25 ng/mL (IgG) were observed, which makes SAFIA applicable to all addressed analytical issues. Moreover, in the analysis of real-world samples, SAFIA shows higher accuracy in contrast to ELISA, indicating higher matrix stability and thus higher robustness in analysis.
Spheriplex multiplexed immunoassays: A practical tool for environmental, food and bioanalysis
(2019)
Clinical, environmental, and food analysis, require efficient and accurate quantitative analysis. Immunoassays take advantage of highly selective and affine binding of an antibody towards an antigen, being easy-to-use and allowing for high sample throughput. However, common immunoassays, e. g. ELISA are not capable of multiplexed analysis, thus limiting possible applications. On the other hand, multi-analyte methods, e.g. liquid chromatographytandem mass spectrometry requires expensive equipment, trained analysts and the time of analysis usually limits sample throughput. This bottleneck can be overcome combining the suspension array technology, where particles are encoded to allow multiplexed detection, with fluorescence immunoassays to create suspension array fluorescence immunoassays (SAFIA).
Polystyrene core/silica shell microparticles serve as platform for SAFIA. While an encoding dye is introduced in the polystyrene core, the silica shell is used for immobilization: For competitive hapten immunoassays small molecules are immobilized on the surface, serving as a competitive binding site for selective antibodies. For quantification of proteins, antibodies can be immobilized on the surface and the sandwich immunoassay format can be employed. All mentioned immunoassays can be executed wash-free and highly parallelized, allowing up to 500 determinations within three hours. In contrast to ELISA, short incubation times, a wash-free mix-and-read procedure and automated flow-cytometric read-out makes SAFIA applicable for even non-trained personal.
SAFIA showed excellent performance in studies on the origin and fate of drug residues in waste water, which is important to assess clearance rates of wastewater treatment plants. Furthermore, SAFIA can be employed in environmental screenings, detecting pollution of natural river waters by tracking anthropogenic marker substances. It was successfully employed in clinical and food analysis applications, e.g. the quantification of the anti-inflammatory drug diclofenac in breast milk or the quantification of caffeine in beverages. Due to multiplexing capacities, SAFIA can significantly improve biotechnological processes, as in the screening of hybridoma cells for selective and efficient antibody production. For small molecule analytes, limits of detection down to 4 ng/L and for proteins below 25 ng/mL (IgG) were observed, which makes SAFIA applicable to all addressed analytical issues. Moreover, in the analysis of real-world samples, SAFIA shows higher accuracy in contrast to ELISA, indicating higher matrix stability and thus higher robustness in analysis.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast & cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) allow for implementation into an immunosensor for online testing. Particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically (chronoamperometry) on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast and cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays allow for implementation into an immunosensor for online testing. These particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Die zunehmende Kontamination von (Trink)-Wasser mit pharmazeutischen Rückständen stellt ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar und verlangt nach schnellen und zuverlässigen Analysemethoden. Hierbei können antikörper-basierte Methoden helfen, da sie schnelle und kostengünstige Vor-Ort-Messungen sowie Onlineanalysen ermöglichen.
Der Übergang von konventionellen plattenbasierten Formaten, wie ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay), zu einem Immunosensor für Online-Messungen wird durch den Einsatz magnetischer Mikropartikel als mobile Messplattform ermöglicht.
Die Partikel werden dazu entweder mit dem Antikörper oder dem Analyten gekoppelt. Diese beiden Strategien werden am Beispiel zweier relevanter Kontaminanten des Wassers gezeigt: Diclofenac (DCF) & Amoxicillin (AMX), und sind leicht auf andere Analyten übertragbar. Die magnetpartikelbasierten Assays (MBBAs) weisen niedrigere Nachweisgrenzen, breitere Messbereiche sowie kürzere Analysezeiten als die entsprechenden ELISAs auf und können in einen Immunosensor mit elektrochemischer Detektion auf einem mikrofluidischen Chip integriert werden.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast & cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) allow for implementation into an immunosensor for online testing. Particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically (chronoamperometry) on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Wir berichten hier über die Entwicklung plattenbasierter Magnetpartikel-Immunoassays für die Bestimmung des Breitbandantibiotikums Amoxicillin und des nicht-steroidalen Antirheumatikums Diclofenac im Trinkwasser. Für die beiden Analyten wurden unterschiedliche Ansätze entwickelt, mit partikelgebundenen Antikörpern für AMX und Analyt-gekoppelten Partikeln für DCF, die die simultane Detektion beider Kontaminanten im nanomolaren Konzentrationsbereich erlauben.
We present the development of magnetic bead-based immunoassays for two potential contaminants of drinking water: the nonsteroidal anti-inflammatory drug diclofenac and the broad-spectrum antibiotic amoxicillin. For these analytes, different assay formats were developed which can generally be transferred to other analytes. The use of magnetic beads not only enables implementation of the assays into an online system since the beads can be reversibly immobilized by applying a magnetic field. Furthermore, our MBBAs hold several advantages over the conventional ELISAs (enzyme-linked immunosorbent assays) for both analytes, such as lower limits of quantification, shorter assay duration and less washing steps required.
Strategies for the setup and miniaturization of an online immunosensor including electrochemical readout on a microfluidic chip will be discussed.
Magnetpartikelbasierte Immunoassays für die Bestimmung von Amoxicillin und Diclofenac im Trinkwasser
(2021)
Wir berichten hier über die Entwicklung von magnetpartikelbasierten Immunoassays für die Bestimmung zweier relevanter Kontaminanten des Trinkwassers: Diclofenac (DCF) und Amoxicillin (AMX). Für die beiden Analyten wurden die Assays nach unterschiedlichen Prinzipien entwickelt, die sich auch auf weitere Analyten übertragen lassen. Im Vergleich zum herkömmlichen ELISA weisen die hier entwickelten magnetpartikelbasierten Assays einen größeren Messbereich mit niedrigeren Bestimmungsgrenzen bei gleichzeitig deutlich reduzierter Analysendauer auf. Darüber hinaus können die Immunoassays in ein automatisierbares Onlinesystem zur Analyse in der Trinkwasserversorgung implementiert werden. Strategien hierfür werden erläutert.