Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1056710.32607/20758251-2014-6-1-85-95Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleDevelopment of Immunoassays Using Interferometric Real-Time Registration of Their KineticsРазработка иммуноанализа с помощью интерферометрической регистрации его кинетики в реальном времениOrlovA. V.ОрловА. В.
Russian Federation
nikitin@kapella.gpi.ruBureninA. G.БуренинА. Г.
Russian Federation
nikitin@kapella.gpi.ruShipunovaV. O.ШипуноваВ. О.
Russian Federation
nikitin@kapella.gpi.ruLizunovaA. A.ЛизуноваА. А.
Russian Federation
nikitin@kapella.gpi.ruGorshkovB. G.ГоршковБ. Г.
Russian Federation
nikitin@kapella.gpi.ruNikitinP. I.НикитинП. И.
Russian Federation
nikitin@kapella.gpi.ruProkhorov General Physics Institute, Russian Academy of SciencesИнститут общей физики им. А.М. Прохорова РАНMoscow Institute of Physics and TechnologyМосковский физико-технический институт1503201461VOL 6, NO1 (2014)ТОМ 6, №1 (2014)859517012020Copyright ©; 2014, Orlov A.V., Burenin A.G., Shipunova V.O., Lizunova A.A., Gorshkov B.G., Nikitin P.I.Copyright ©; 2014, Орлов А.В., Буренин А.Г., Шипунова В.О., Лизунова А.А., Горшков Б.Г., Никитин П.И.2014Orlov A.V., Burenin A.G., Shipunova V.O., Lizunova A.A., Gorshkov B.G., Nikitin P.I.Орлов А.В., Буренин А.Г., Шипунова В.О., Лизунова А.А., Горшков Б.Г., Никитин П.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10567

A method for effective development of solid-phase immunoassays on a glass surface and for optimization of related protocols by highly sensitive quantitative monitoring of each assay step has been proposed and experimentally implemented. The method is based on the spectral correlation interferometry (SCI) that allows real-time measuring of the thickness of a biomolecular layer bound to the recognition molecular receptors on the sensor chip surface. The method is realized with compact 3-channel SCI-biosensors that employ as the sensor chips standard cover glass slips without deposition of any additional films. Different schemes for antibody immobilization on a glass surface have been experimentally compared and optimized toward a higher sorption capacity of the sensor chips. Comparative characterization of the kinetics of each immunoassay stage has been implemented with the optimized protocols: i) covalent immobilization of antibody on an epoxylated surface and ii) biotinylated antibody sorption on a biotinylated surface via a high-affinity biotin-streptavidin bond. We have shown that magnetic nanoparticles employed as labels with model detection of cardiac troponin I further amplify the SCI signal, resulting in 100-fold improvement of the detection limit. The developed protocols can also be used with the alternative immunoassay platforms, including the label methods based on registration of only the final assay result, which is the quantity of bound labels.

Предложен и экспериментально реализован метод для эффективной разработки и оптимизации протоколов твердофазного иммуноанализа на поверхности стекла за счет высокочувствительного количественного мониторинга каждой стадии анализа. Метод основан на использовании принципа спектральнокорреляционной интерферометрии (СКИ), позволяющего измерять в реальном времени толщину слоя, образующегося в результате связывания биомолекул из раствора с распознающими молекулярными рецепторами на поверхности сенсорного чипа. Реализация предложенного метода выполнена с помощью компактных трехканальных СКИ-биосенсоров, использующих в качестве сенсорных чипов стандартные покровные стекла без нанесения дополнительных пленок. Проведено экспериментальное сравнение различных схем иммобилизации антител на стеклянную поверхность, а также оптимизация таких схем для достижения высокой сорбционной емкости сенсорных чипов. Выполнена сравнительная характеризация кинетики каждого этапа иммуноанализа, проведенного с использованием оптимизированных протоколов: ковалентной иммобилизации антител на эпоксилированную поверхность и сорбции на биотинилированную поверхность с помощью высокоаффинной связи биотин-стрептавидин. На примере детекции сердечного тропонина I показано, что применение магнитных наночастиц в качестве меток приводит к дополнительному усилению сигнала спектрально-корреляционной интерферометрии, что позволяет улучшить предел детекции в 100 раз. Разработанные протоколы могут использоваться в сочетании с альтернативными платформами иммуноанализа, в том числе основанными на регистрации лишь конечного результата - количества связавшихся меток.

Label-free biosensorsinterferometrysensor chipssurface functionalizationsurface epoxylationsurface biotinylationefficiency of biomolecular immobilizationimmunoassaymagnetic nanoparticlescardiac troponin Iбезметочные биосенсорыбиотинилированиеиммуноанализинтерферометриямагнитные наночастицысенсорные чипысердечный тропонин Iфункционализация поверхностиэпоксилирование поверхностиэффективность иммобилизации биомолекулThe work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (grants №№10-02-01185, 11-02-01440, 11-04-12181-ofi-m 2011, 13-02-01260, 13-03-12468). This work was conducted within the scope of the “Russian Federal Targeted Programme for research and development in priority fields for the development of Russia’s science and technology complex for 2007–2012” (state contract 16.512.11.2124) with the use of equipment from the Center for the Collective Use of Unique Equipment in the Nanotechnology Field at MIPT (CCU MIPT), funded by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation.Работа поддержана РФФИ (гранты №10-02-01185, 11-02-01440, 11-04-12181-офи-м 2011, 13-02-01260, 13-03-12468). Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» (государственный контракт №16.512.11.2124) с привлечением оборудования Центра коллективного пользования уникальным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ (ЦКП МФТИ) при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.1. Vaidya V.S., Bonventre J.V. Biomarkers: In Medicine, Drug Discovery, and Environmental Health: Wiley-Blackwell, 2010. 640 p.2. Yanga Zh., Zhoub D.M. // Clin. Biochem. 2006. V. 39. № 8. P. 771-780.3. Mayeux R. // NeuroRx. 2004. V. 1. № 2. P. 182-188.4. Lundblad R.L. Development and Application of Biomarkers: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011. 297 p.5. Frank. R, Hargreaves, R. // Nat. Rev. Drug. Discov. 2003. V. 2. P. 566-580.6. Lee J.M., Han J.J., Altwerger G., Kohn E.C. // J. Proteomics. 2011. V. 74. № 12. P. 2632-2641.7. Bleavins M.R., C arini C., Jurima-Romet M., R ahbari R. Biomarkers in Drug Development: A Handbook of Practice, Application, and Strategy: Wiley-Blackwell, 2010. 760 p.8. Yalow R.S., Berson S.A. // Nature. 1959. V. 184. P. 1648-1649.9. Uotila M., Ruoslathi E., Envall E. // J. Immunol. Methods. 1981. V. 42. P. 11-15.10. Dzantiev B.B., Zherdev A.V. Problems of analytical chemistry. Biochemical methods of analysis // Ed. Dzantiev B.B. Мoscow: Nauka, 2010. V. 12. P. 297-326.11. Engvall E., Perlmann P. // Immunochemistry. 1971. V. 8. P. 871-874.12. Plotz C.M., Singer J.M. // Am. J. Med. 1956. V. 21. № 6. P. 888-892.13. Leuvering J.H.W., Thal P.J.H.M., Van der Waart M., Shuurs A.H.W.M. // J. Immunol. Meth. 1981. V. 45. P. 183-194.14. Laborde R., O’Farrell B. // IVD Technology. 2002. April issue. P. 36.15. Nikitin P.I., Vetoshko P.M., Ksenevich T.I. // Sens. Lett. 2007. V. 5. № 1. P. 296-299.16. Rosi N.L., Mirkin. C.A. // Chem. Rev. 2005. V. 105. № 4. P. 1547-1562.17. Lei J., Ju. H. // Chem. Soc. Rev. 2012. V. 41. P. 2122-2134.18. Aghayeva U.F., Nikitin M.P., Lukash S.V., Deyev S.M. // ACS Nano. 2013. V. 7. № 2. P. 950-961.19. Nikitin M.P., Zdobnova T.A., Lukash S.V., Stremovskiy O.A., Deyev S.M. // Proc. of Natl. Acad. Sci. 2010. V. 107. № 13. P. 5827-5832.20. David W. The Immunoassay Handbook. Oxford: Elsevier Ltd., 2005. P. 103-135.21. Liedberg B., Nylander C., Lundstrom I. // Biosens. Bioelectron. 1995. V. 10. № 8. P. I-IX.22. Cunningham B.T. Label-free optical biosensors: An introduction. In: Cooper M.A. Label-Free Biosensors: Techniques and Applications. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2009. P. 1-28.23. Gauglitz G., Brecht A., Kraus G., Nahm W. // Sens. Act. B. 1993. V. 11. P. 21-27.24. Dancil K.S., Greiner D.P., Sailor M.J. // J. Am. Chem. Soc. 1999. V. 121. P. 7925-7930.25. Nikitin P.I., Gorshkov B.G., Valeiko M.V., Rogov S.I. // Quantum Electronics. 2000. V. 30. № 12. P. 1099-1104.26. Nikitin P., Gorshkov B., Valeiko M., Nikitin S. // Proc. SPIE. 2001. V. 4578. P. 126-135.27. Nikitin P.I., Valeiko M.V., Gorshkov B.G. // Sens. Act. B. 2003. V. 90. P. 46-51.28. Nikitin P.I., Gorshkov B.G., Nikitin E.P., Ksenevich T.I. // Sens. Act. B. 2005. V. 111 -112. P. 500-504.29. Nikitin P.I., Svetoch I.E., Nikitin M.P., Ksenevich T.I., Gorshkov B.G., Konov V.I., Aksinin V.I. // Proc. SPIE. 2007. V. 6733. P. 67331M.30. Ivanov A.E., Solodukhina N., Wahlgren M., Nilsson L., Vikhrov A.A., Nikitin M.P., Orlov A.V., Nikitin P.I., Kuzimenkova M.V., Zubov V.P. // Macromol Biosci. 2011. V. 11. № 2. P. 275-284.31. Diryugina E.G., Burenin A.G., Nikitin M.P., Orlov A.V., Nikitin P.I. // Proceedings of MIPT. 2012. V. 4. № 3. P. 11-17.32. Burenin A.G., Nikitin M.P., Orlov A.V., Ksenevich T.I., Nikitin P.I. // Applied Biochemistry and Microbiology. 2013. V. 49. № 3. P. 306-311.33. Arefieva T.I., Krasnikova T.L., Potekhina A.V., Ruleva N.U., Nikitin P.I., Ksenevich T.I., Gorshkov B.G., Sidorova M.V., Bespalova Zh.D., Kukhtina N.B., Provatorov S.I., Noeva E.A., Chazov E.I. // Inflammation Research. 2011. V. 60. № 10. P. 955-964.34. Nikitin P.I., Vetoshko P.M., Ksenevich T.I. // J. Magn. Magn. Mater. 2007. V. 311. P. 445-449.35. Orlov A.V., Khodakova J.A., Nikitin M.P., Shepelyakovskaya A.O., Brovko F.A., Laman A.G., Grishin E.V., Nikitin P.I. // Anal. Chem. 2013. V. 85. № 2. P. 1154-1163.36. Appendix C. Predefined models. In: BIAevaluation 3.0 Software Handbook. Biacore AB, 1997. P. C-2-C-33.37. Adams J.E., Bodor G.S, Davila-Roman V.G., Delmez J.A., Apple F.S., Ladenson J.H., Jaffe A.S. // Circulation. 1993. V. 88. № 1. P. 101-106.38. Katrukha A.G., Bereznikova A.V., Esakova T.V., Pettersson K., Lovgren T., Severina M.E., Pulkki K., Vuopio- Pulkki L.M., Gusev N.B. // Clin. Chem. 1997. V. 43. № 8. P. 1379-1385.39. Thygesen K., Mair J., Giannitsis E., Mueller C., Lindahl B., Blankenberg S., Huber K., Plebani M., Biasucci L.M., Tubaro M., et al. // Eur Heart J. 2012. V. 33. № 18. P. 2252-2257.40. Peri. G., Introna M., Corradi. D., Iacuitti G., Signorini S., Avanzini F., Pizzetti F., Maggioni A.P., Moccetti T., Metra M., et al. // Circulation. 2000. V. 102. P. 636-641.41. NICE clinical guideline 95. Chest pain of recent onset. Assessment and diagnosis of recent onset chest pain or discomfort of suspected cardiac origin. 2010.42. Morrow D.A., Cannon C.P., Jesse R.L., Newby L.K., Ravkilde J., Storrow A.B., Wu A.H.B., Christenson R.H. // Clin. Chem. 2007. V. 53. P. 552-574.43. Katrukha A.G. Antibody selection strategies in cardiac troponin assays. In: Wu A.H.B. Cardiac Markers. 2nd Ed. New York: Humana Press, 2003. P. 137-185.44. Lemos J.A. // JAMA. 2013. V. 309. № 21. P. 2262-2269.45. Silane Coupling Agents. Chapter 13. In: Hermanson G.T., Bioconjugate Techniques, 2nd Ed. London: Acad. Press, 2008. P. 565-567.46. Schreiber S., Savla M., Pelekhov D.V., Iscru D.F., Selcu C., Hammel P.C., Agarwal G. // Small. 2008. V. 4. № 2. P. 270-278.47. Martin V.M., Siewert C., Scharl A., Harms T., Heinze R., Ohl S., Radbruch A., Miltenyi S., Schmitz J. // Exp. Hematol. 1998. V. 26. P. 252-264.48. Bingisser R., Cairns C., Christ M., Hausfater P., Lindahl B., Mair J., Panteghini M., Price C., Venge P. // A. J. of Emergency Med. 2012. V. 30. P. 1639-1649.49. Grigirenko A.N., Nikitin P.I., Roshepkin G.V. // Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1997. V.85. N2. P. 343-350.50. Nikitin P., Ksenevich T., Nikitin M., Gorshkov B. // Proceedings of Ninth European Conference on Optical Chemical Sensors and Biosensors, EUR OPT(R)ODE IX. Dublin, 2008. P.OA4.2.