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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.
Monitoring water quality regarding emerging pollutants, such as drug residues, demands for selective, high-throughput and multi-target analytical methods. On the one hand, the influence of sewage on natural surface waters must be routinely monitored. On the other hand, estimation of removal efficiencies of pollutants, such as drug residues, is in the focus of industrial and public wastewater treatment. Immunoassays, such as ELISA, offer the possibility to be highly sensitive and selective due to the high target affinity and specificity of target recognition by antibodies. Batch-wise processing in microtiter plates allows for the necessary high-throughput, but only a single analyte can be determined within one measurement.
To overcome these disadvantages, we developed a four-plex Suspension Array Fluorescence Immunoassay (SAFIA), which is adaptable for the microtiter plate format. The modular and self-prepared bead support consists of polystyrene-core silica-shell microparticles. While the polystyrene core is used for encoding, by introducing different amounts of fluorescent dyes, the silica shell creates a solid-support for the immunoassay: the target analytes, three drugs, carbamazepine, diclofenac and caffeine, and the fecal marker isolithocholic acid are covalently coupled to amino groups on the surface via NHS chemistry. Specific recognition of these haptens is accomplished by further introduction of PEG moieties, suppressing non-specific binding. A competitive immunoassay is subsequently conducted in a simple mix-and-read procedure, eliminating the demand for laborious washing steps and decreasing time-to-result. An automated flow cytometer is used for simultaneous decoding and quantification.
After optimization, the SAFIA showed limits of detection for all analytes in the low µg L 1 range, meeting the sensitivity criteria for wastewater analysis. Then, applicability of the SAFIA was studied on real wastewater samples from three different wastewater treatment plants in Berlin. The results were in good comparability to LC-MS/MS indicating high matrix stability. Moreover, the accuracy of the assay exceeded that of the respective ELISA. Finally, we used SAFIA to assess the influent of treated and untreated wastewater on the Douro river estuary in Portugal. The obtained results of the analysis were comparable to ELISA. However, the measurements by SAFIA could be carried out in one quarter the time of analysis required for ELISA.
Acknowledgements: The authors acknowledge financial support from Deutscher Akademischer Austauschdienst and from Fundação das Universidades Portuguesas under the protocol CRUP-DAAD (Ações Integradas Luso-Alemãs nºE-20/16, DAAD Zuwendungsvertrag 57212899).