Analytische Chemie
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Nicht zuletzt bedingt durch den Pferdefleischskandal im Jahr 2013 wurden in Deutschland die Aktivitäten bei der Methodenstandardisierung im Bereich der Tierarten-Differenzierung in den vergangenen Jahren intensiviert. Wenn auch positive Befunde bei dem Nachweis von Bestandteilen aus Pferd in Lebensmitteln wie Lasagne derzeit so gut wie nicht mehr anzutreffen sind, so hat die Tierartendifferenzierung insgesamt beim Nachweis von Verfälschungen in Lebensmitteln einen hohen Stellenwert.
Diese Arbeit fasst daher den aktuellen Stand der Analytik in Deutschland mit Schwerpunkt bei der Standardisierung zusammen. Sie wurde erstellt durch die Arbeitsgruppe „Biochemische und molekularbiologische Analytik“ der Lebensmittelchemischen Gesellschaft mit Unterstützung von Experten der Arbeitsgruppe „Molekularbiologische Methoden zur Pflanzen- und Tierartendifferenzierung“ (§ 64 LFGB) sowie der ALTS-Arbeitsgruppe „Immunologie und Molekularbiologie“ (jeweils D).
Small organic molecule drugs are one of the key classes, taking increasingly important roles in modern drug development strategies. With the focus on small molecule drugs, difficulties originate frequently from a pronounced lipophilic character, resulting in poor water solubility, low bioavailability and unfavored pharmacokinetics. Recently, peptide-poly(ethylene glycol) conjugates (peptide-PEG conjugates) were described as precisely tunable platforms to solubilize a broad scope of fluorescent or non-fluorescent small organic molecules [1-2]. Selection of drug hosting peptides was achieved by combinatorial means, which can further be extended by implementation of a drug release screening step.
One-bead-one-compound peptide libraries are powerful tools to select high affinity binders. However, the selection of positive hits from the peptide libraries remains tedious as it occurs by handpicking, strongly limiting the pool of investigated beads. Here we report our recent results on improving the analytical platform, using automated fluorescence scanning and MALDI-ToF-ToF MS/MS imaging to screen larger sets of beads, broadening the statistical base and unraveling more precisely suitable peptides. The screening puts special emphasis on loading capacities and drug-release of transporters by performing additional washing steps in different media (cf. Fig. 1). Peptides representing strong, medium, weak releaser were chosen for further analysis and synthesized as peptide-polymer transporters. Release was analyzed by fluorescence anisotropy and fluorescence correlation spectroscopy, due to the fluorescent characteristics of the drug.
Solubilization studies confirmed sufficient loading capacities for a potential anti-Alzheimer disease drug of three transporter molecules representing strong/weak drug releaser, reaching solubilization of up to 1:3.4 (µmol drug/µmol conjugate). Fluorescence anisotropy and fluorescence correlation spectroscopy of the drug-loaded transporter showed significant differences in drug releasing properties, confirming the screening process.
Screening of one-bead-one-compound (OBOC) libraries is a proven procedure for the identification of protein-binding ligands. The demand for binders with high affinity and specificity towards various targets has surged in the biomedical and pharmaceutical field in recent years. The traditional peptide screening involves tedious steps such as affinity selection, bead picking, sequencing, and characterization. Herein, we present a high-throughput “all-on-one chip” system to avoid slow and technically complex bead picking steps. On a traditional glass slide provided with an electrically conductive tape, beads of a combinatorial peptide library are aligned and immobilized by application of a precision sieve. Subsequently, the chip is incubated with a fluorophore-labeled target protein. In a fluorescence scan followed by matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)-time of flight (TOF) mass spectrometry, high-affinity binders are directly and unambiguously sequenced with high accuracy without picking of the positive beads. The use of an optimized ladder sequencing approach improved the accuracy of the de-novo sequencing step to nearly 100%. The new technique was validated by employing a FLAG-based model system, identifying new peptide binders for the monoclonal M2 anti-FLAG antibody, and was finally utilized to search for IgG-binding peptides. In the present format, more than 30,000 beads can be screened on one slide.
The primary screening of hybridoma cells is a time-critical and laborious step during the development of monoclonal antibodies. Often, critical errors occur in this phase, which supports the notion that the generation of monoclonal antibodies with hybridoma technology is difficult to control and hence, a risky venture. We think that it is crucial to improve the screening process to eliminate most of the critical deficits of the conventional approach. With this new microarray-based procedure, several advances could be achieved: Selectivity for excellent binders, high-throughput, reproducible signals, avoidance of misleading avidity (multivalency) effects, and performance of simultaneous competition experiments. The latter can also be used to select clones of desired cross-reactivity properties. In this paper, a model system with two excellent clones against carbamazepine, two weak clones, and blank supernatant containing fetal bovine serum was designed to examine the effectiveness of the new system. The excellent clones could be detected largely independent of the immunoglobulin G (IgG) concentration, which is usually unknown during the clone screening since the determination and subsequent adjustment of the antibody concentration are not feasible in most cases. Furthermore, in this approach, the enrichment, isolation, and purification of IgG for characterization is not necessary. Raw cell culture supernatant can be used directly, even when fetal calf serum (FCS) or other complex media is used. In addition, an improved method for the oriented antibody-immobilization on epoxy-silanized slides is presented. Based on the results of this model system with simulated hybridoma supernatants, we conclude that this approach should be preferable to most other protocols leading to many false positives, causing expensive and lengthy elimination steps to weed out the poor clones.
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.
This review summarizes recent developments regarding molecular imaging markers for magnetic resonance imaging (MRI) of prostate cancer (PCa). Currently, the clinical standard includes MR imaging using unspecific gadolinium-based contrast agents. Specific molecular probes for the diagnosis of PCa could improve the molecular characterization of the tumor in a non-invasive examination. Furthermore, molecular probes could enable targeted therapies to suppress tumor growth or reduce the tumor size.
Screening against ADAMTS4 reveals a specific peptide, which was turned into an MRI probe. The aneurysm in a mouse modal was visualized via MRI. A differentiation between stable and unstable aneurysm in an early state was performed. Using the probe as tool for an easy and non-invasive rupture assessment is possible.
Mycotoxins (toxic compounds formed by fungi) in food and feed have caused problems for mankind since the beginning of time. The group of ergot alkaloids plays a special role in human history. Several tens of thousands of deaths during the middle ages caused by to ergotism (the disease caused by continuous intake of ergot alkaloid contaminated food) underscore the importance of reliable analytical methods to ensure food safety.
More than 50 compounds belong to the group of ergot alkaloids. The 12 most found structures – the major ergot alkaloids – are typically measured, when it comes to ergot alkaloid quantification. High performance liquid chromatography (HPLC) with a fluorescence detector (FLD) is typically used to quantify the ergot alkaloid content. The main disadvantage of this method are the high costs for calibration standards (12 different calibration substances are required). But also, the time and effort required for the analysis of 12 peaks and overlapping signals that occur in complex food samples such as bread. As all ergot alkaloids share the ergoline structure and just differ in the substituents attached to this backbone, measurement of all ergot alkaloids in one sum parameter presents a time and cost saving alternative. The most important step for the development of such a sum parameter method is the reaction used to transfer all ergot alkaloids to one uniform structure. Two promising reactions, the acidic esterification to lysergic acid methyl ester and hydrazinolysis to lysergic acid hydrazide, were examined for possible use in a routine analysis method. In addition to yield and reaction rate, factors such as handling of the reaction and the possibility of parallel sample workup play a role.