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Increasing contamination of environmental waters with pharmaceuticals represents an emerging threat for the drinking water quality and safety. In this regard, fast and reliable analytical methods are required to allow quick countermeasures in case of contamination. Here, we report the development of a magnetic bead-based immunoassay (MBBA) for the fast and cost-effective determination of the analgesic diclofenac (DCF) in water samples, based on diclofenac-coupled magnetic beads and a robust monoclonal anti-DCF antibody. A novel synthetic strategy for preparation of the beads resulted in an assay that enabled for the determination of diclofenac with a significantly lower limit of detection (400 ng/L) than the respective enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). With shorter incubation times and only one manual washing step required, the assay demands for remarkably shorter time to result (< 45 min) and less equipment than ELISA. Evaluation of assay precision and accuracy with a series of spiked water samples yielded results with low to moderate intra- and inter-assay variations and in good agreement with LC–MS/MS reference analysis. The assay principle can be transferred to other, e.g., microfluidic, formats, as well as applied to other analytes and may replace ELISA as the standard immunochemical method.
Der Bedarf nach schnellen und kostengünstigen Analysemethoden in der (Trink-)Wasseranalytik steigt mit dem zunehmenden Eintrag pharmazeutisch aktiver Substanzen in die Umwelt.
Insbesondere die Kontamination mit Antibiotika erscheint neben ökotoxikologischen Effekten vor allem in Hinblick auf die Evolution resistenter Keime im Wasser besorgniserregend.
Wir berichten hier über die Entwicklung eines magnetpartikelbasierten Immunoassays (MBBA) zur Detektion des Breitbandantibiotikums Amoxicillin (AMX) in Wasserproben, der im Vergleich zum entsprechenden Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) eine wesentlich kürzere Analysendauer sowie einen breiteren Messbereich mit niedrigerer Nachweisgrenze aufweist. Das angewendete Assayprinzip ist dabei leicht auf weitere Analyten übertragbar und ermöglicht die Implementierung in einen Immunosensor.
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.
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.
Immunanalytische Bestimmung von β-Lactam-Antibiotika und deren Hydrolyseprodukten im Trinkwasser
(2020)
Die speziellen Herausforderungen der immunanalytischen Bestimmung von β-Lactam-Antibiotika in (Trink-)Wasserproben werden anhand eines neu entwickelten ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) für das Breitbandantibiotikum Amoxicillin diskutiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Hydrolyse des Analyten einen positiven Einfluss auf die Erkennung durch den Antikörper hat. Das entsprechende Hydrolyseprodukt, zu dem der Antikörper folglich eine höhere Affinität aufweist, wurde identifiziert und ein entsprechendes Verhalten wurde auch für andere β-Lactam-Antibiotika aus der Gruppe der Penicilline beobachtet. Eine Strategie für die Analyse von Wasserproben hinsichtlich Kontamination mit den hier betrachteten β-Lactamen und deren Hydrolyseprodukten wurde ausgearbeitet.
We report the first results for the immunochemical determination of the β-lactam antibiotic drug amoxicillin (AMX) in water samples by ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay). The applied indirect competitive ELISA using a commercially available mouse anti-AMX antibody enables testing for AMX with a limit of detection of around 1 µg/L. Calibration curves of calibrators prepared in different water samples showed equal shape. This underlines the suitability of this assay for the AMX determination in these samples. Furthermore, cross-reactivities of structurally similar β-lactam antibiotics were examined and found to be low for ampicillin, penicillin G and penicillin V. In contrast, carbenicillin was recognized by the antibody even better than AMX indicating a positive effect of an additional carboxyl group on antibody binding. This is promising for further application of this assay, e.g. in the determination of the most relevant hydrolysis product of AMX, amoxicilloic acid.
Herein we present the data for a newly developed immunoassay for the determination of amoxicillin (AMX) in water samples using a commercially available monoclonal anti-AMX antibody. During optimization and testing of the assay, we observed a significant decrease of the C-value (IC50) of the ELISA calibration curves with aged standard solutions. Running the assay with standard solutions of synthesized AMX hydrolysis products revealed that this decreased C-value could be attributed mainly to the hydrolysis product amoxicilloic acid. Therefore, the limit of detection of the ELISA for AMX determination in water could be enhanced by either hydrolyzing the samples or testing for amoxicilloic acid as marker substance.
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.
Contamination of waters with pharmaceuticals is an alarming problem as it may support the evolution of antimicrobial resistance. Therefore, fast and cost-effective analytical methods for potential on-site analysis are desired in order to control the water quality and assure the safety of its use as a source of drinking water. Antibody-based methods, such as the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), can be helpful in this regard but can also have certain pitfalls in store, depending on the analyte. As shown here for the class of β-lactam antibiotics, hydrolysis of the β-lactam ring is a key factor in the immunochemical analysis as it influences antibody recognition. With the antibody used in this study, the limit of detection (LOD) in the immunoassay could be significantly reduced by hydrolysis for the five tested penicillins, with the lowest LOD for carbenicillin (0.2 nmol/L) and the greatest impact on penicillins G and V (reduction by 85%). In addition to enhanced quantification, our strategy also provides access to information about the degree of hydrolysis in water samples as shown for the most abundant penicillin amoxicillin.