开发新的疟疾诊断工具迫切需要高灵敏度的检测试剂。本研究设计了一种铱(III)探针,在存在组氨酸富集的疟原虫蛋白生物标志物时,可发出持久的发光信号。该蛋白无论处于溶液中还是固定在磁性颗粒上,均可被检测,从而为实际应用提供了灵活性。
开发新的疟疾诊断工具迫切需要高灵敏度的检测试剂。本研究设计了一种铱(III)探针,在存在组氨酸富集的疟原虫蛋白生物标志物时,可发出持久的发光信号。该蛋白无论处于溶液中还是固定在磁性颗粒上,均可被检测,从而为实际应用提供了灵活性。
本研究阐述了一种非发射性环金属化 Ir(III) 配合物 Ir(ppy)2(H2O)2+ (Ir1) 的合成方法。当该配合物与固定在磁性微粒表面的含组氨酸蛋白配位时,可产生快速且长寿命的磷光信号。Ir1 的合成产率高,反应在 O/N 条件下完成,涉及将母体环金属化 Ir(III) 氯桥联二聚体裂解为两当量的溶剂化配合物。 为验证其特异性,将多种氨基酸加入合成的探针中检测其配位活性,结果仅组氨酸引发信号响应。利用疟疾生物标志物组氨酸富集蛋白 II(pfHRP-II)的支链肽模拟物 BNT-II,验证了该铱探针在 HRP-II 检测中的应用价值。与 L-组氨酸/Ir1 滴定相比,BNT-II/Ir1 滴定中观察到淬灭效应,但该效应归因于空间位阻和三重态淬灭。采用生物膜层干涉技术测定了 Ir1 与 BNT-II 相互作用的实时动力学参数。系统优化后,该探针对溶液中重组组氨酸富集蛋白 II(rcHRP-II)的检测限为 12.8 nM。当该蛋白固定于 50 µm 磁性琼脂糖微粒表面时,检测限为 14.5 nM。该无机探针具有强健的信号响应特性,且可在溶液中或固定于表面灵活使用,因此在诊断检测和成像等多种应用中具有广阔前景。
比色法和荧光标记是检测与追踪生物化学分子及过程的重要方法1,2。最常见的荧光标记物是小分子量有机染料3,4,但这些分子并不总是具有理想的光学特性。荧光染料容易发生光漂白,通常斯托克斯位移较小,且可能具有重叠的激发和发射光谱。比色标记通常通过使用酶标记物实现,其信号可被放大,适用于免疫测定中的定量分析5,6。这些酶同样存在缺点,包括对光敏感、反应条件要求高以及底物保质期短。这些特性往往要求免疫测定和蛋白质标记方法必须在严格控制的条件下进行,并使用昂贵的试剂。
已探索发光的过渡金属配合物作为生物化学检测的一种替代性标记方法。特别是,环金属化 Ir(III) 配合物已被研究用于有机发光二极管(OLEDs)7-9、氧气传感10、催化反应11以及蛋白质/细胞染色12-14等领域。由于其高光稳定性和量子效率,这类探针成为生物分子检测的优良候选者15,16。先前研究发现,通式为 [Ir(C^N)2(solv)2]+ 的环金属化 Ir(III) 配合物可不可逆地结合组氨酸,并产生蓝绿色信号响应12,17。这些配合物在溶剂配位状态下不发光,但当组氨酸取代溶剂分子并与金属中心结合后,在长波紫外光照射下会释放强烈的磷光信号。该信号仅在配体取代反应发生后出现,是三重态电子通过金属-配体电荷转移(3MLCT)和配体中心转移(3LC)途径弛豫至基态的结果8,15。这些配合物有望作为富含组氨酸蛋白质的检测探针。
组氨酸富集蛋白及其调控水平在多种疾病中具有重要意义,包括肝硬化、癌症和血栓性疾病。18其中,恶性疟原虫组氨酸富集蛋白II(pfHRP-II)是疟原虫感染的一种经过充分验证的生物标志物。该蛋白分子量为67 kDa,含有34%的组氨酸,主要分布在特征性的AHHAHHAAD重复基序中19。这些组氨酸重复序列能够结合宿主血液中的游离金属离子19和血红素复合物20。pfHRP-II通常在资源有限的条件下通过免疫层析快速诊断检测(RDTs)进行检测,但由于样本条件、生物标志物浓度低、生产标准差以及抗体降解等原因,这些检测方法往往不够准确21。
基于金属的磷光探针,例如上述所描述的环金属化 Ir(III) 配合物,因其对组氨酸具有选择性结合能力以及稳定且高效的发光特性,成为检测 pfHRP-II 的理想选择。本文研究了使用 [Ir(ppy)2(H2O)2]+(Ir1)来检测 BNT-II(一种模拟 pfHRP-II 的支链肽)的方法22。该相互作用的动力学过程通过生物膜干涉技术进行实时监测。该检测方法还被改进为一种基于微珠的 ELISA 类型检测模式,并实现了纳摩尔级别的检测限。与传统 ELISA 相比,该方法具有优势,可在不到 2 小时内完成,且无需使用抗体类试剂;而典型的 ELISA 通常需要 4 至 5 小时,并依赖生物来源试剂。
1. 铱(III)配合物的合成
2. Ir1 与各种氨基酸的相互作用
3. 使用 BNT-II 对 Ir1 进行滴定
4. 使用生物膜干涉技术对 Ir1/BNT-II 系统进行实时动力学分析
5. 使用 Ir1 在磁珠上检测 BNT-II 和 rcHRP-II
如图1所示,Ir1溶剂配合物的合成涉及通过将氯离子以难溶的AgCl形式沉淀,使母体二聚体中的氯桥断裂,同时水分子与金属中心配位。通过1H NMR和ESI证实了Ir1的形成。此外,紫外-可见光谱中归属于金属-配体电荷转移和π-π*跃迁的特征吸收带进一步验证了Ir1的生成。 该溶剂化配合物在365 nm激发下不表现出发射特性。

图 1:Ir1 的合成与表征。 四氯双(2-(2-吡啶基)苯基)二铱(III)的氯桥裂解反应生成水合配合物 Ir(ppy)2(H2O)2+ (Ir1)。将 L-组氨酸(L-His)加入水相缓冲液中的水合配合物后,发光信号被激活。
在该配合物合成并表征后,参照先前使用类似铱类似物的方法分析了其对氨基酸的选择性17。图2A显示,仅组氨酸在365 nm激发下于510 nm处产生信号响应。

图 2:Ir1 对氨基酸的选择性及与富含组氨酸肽的滴定反应。(A)在 HBS 缓冲液中,200 µM 的各种氨基酸(Cys、Ser、Asp、Glu、Phe、Lys、Arg、Tyr、Trp、His)与 50 µM Ir1 的相互作用。在黑色 96 孔板中,以 365 nm 为激发波长,扫描 400–700 nm 范围内的发射光谱。除组氨酸外(黑色虚线),其余所有氨基酸的相对荧光单位(RFU)信号均可忽略不计。(B)在 HBS 缓冲液中,使用 Ir1 对 BNT-II(▪)和 rcHRP-II(♦)进行纳摩尔浓度滴定。将富含组氨酸的肽与探针在溶液中孵育 15 分钟后,以 365 nm 光激发,检测 510 nm 处的发射信号。检测限定义为当 y = 3σblank 时对应的 x 值。
铱探针的磷光“开启”开关之所以发生,是因为当组氨酸与金属中心配位时,Ir(III) 生物偶联物的单重激发态(1MLCT/1LC)发生了系间窜越,生成三重激发态(3MLCT)。该探针被应用于 BNT-II,即疟疾生物标志物恶性疟原虫组氨酸富集蛋白 II(pfHRP-II)的肽模拟物。在用 Ir1 滴定 BNT-II 的实验中,观察到浓度依赖性的信号响应(图 2B)。在溶液中,重组 HRP-II(rcHRP-II)也表现出类似的响应。BNT-II 和 rcHRP-II 在溶液中的检测限分别为 54.8 nM 和 12.8 nM。利用生物膜干涉技术,测得 Ir1 与固定在 Ni(II)NTA 表面的 BNT-II 结合的解离常数 KD 为 2.05 µM(图 3)。

图3:Ir1与BNT-II的实时动力学分析。 采用生物层干涉技术,对不同浓度的Ir1与固定在Ni(II)NTA玻璃传感器表面的BNT-II之间的结合动力学进行分析。首先将传感器在KB缓冲液中平衡(阶段A),随后用0.5 µM BNT-II对传感器进行负载(阶段B)。肽段负载完成后,在测定Ir1与BNT-II结合(阶段D)之前建立基线(阶段C)。经过一段时间的结合后,将传感器重新放入KB缓冲液中以测定解离过程(阶段E)。整个动力学分析过程耗时不到30分钟。
从基于溶液的检测方法转向磁性颗粒平台时,必须考虑系统中颗粒带来的额外复杂性。根据先前的研究已知,这些颗粒能够高效结合疟疾生物标志物pfHRP-II24。上述溶液检测使用黑色荧光板效果良好,但如图4A所示,白色板更适用于基于颗粒的检测平台。在白色板中,光被反射回样品中,从而提高了结合在颗粒表面的Ir1对光的吸收效率。在基于颗粒的检测中,rcHRP-II的检测限确定为14.5 nM(图4B)。通过非配对t检验分析,溶液中和颗粒上的rcHRP-II检测限在统计学上无显著差异(p = 0.731)。


图4:BNT-II 和 HRP-II 的磁珠上检测。(A)在黑色96孔板(实线)与白色96孔板(虚线)中,50 µm Ni(II)NTA磁性琼脂糖微球表面结合的Ir1检测信号的差异。激发光波长为365 nm,发射光检测波长为510 nm。(B)在磁性微球上固定化的rcHRP-II使用Ir1进行滴定检测。检测限定义为当y = 3σblank时x的取值。

图5:使用Ir1在磁珠上检测rcHRP-II的示意图。 HRP-II与Ni(II)NTA磁珠表面结合并用Ir1标记的总体方案。将磁珠与富含组氨酸的肽段在室温下孵育15分钟。孵育结束后,使用磁铁通过HBST缓冲液洗涤磁珠,以将磁珠从溶液中分离出来。最后,将结合了肽段的磁珠与Ir1孵育1小时,随后在365 nm光激发后读取510 nm处的发射光信号。
随着基于微粒的诊断工具在现代诊断技术中占据前沿地位,在微粒表面直接检测目标生物分子成为一项主要优势。传统的分子检测方法(如ELISA和PCR)具有可实现极低检测限的优点25。然而,这些检测方法需要大量试剂并依赖耗时的实验流程。本实验方法旨在模拟ELISA类型的夹心结合反应,同时避免其对时间和试剂的高需求(图5)。此外,每份样本所用Ir1探针的成本估计约为1美分,而典型ELISA中每份样本的抗体成本为0.20至0.30美元。
由于上述方法依赖于环金属化铱探针来检测疟疾生物标志物,因此该探针不会受到其他检测方法中常见失效模式的影响即荧光团淬灭及抗体/酶降解)。组氨酸在金属结合特性方面具有独特性。本研究利用这一特性,通过含金属的复合物替代典型ELISA夹心法中的抗体。Ni(II)NTA在颗粒表面捕获rcHRP-II,而Ir1则用于指示蛋白质的存在。该检测中最关键的步骤是使磁性颗粒与样本及探针充分混合。在96孔板ELISA中,生物分子和试剂与孔底的二维表面达到平衡。由于磁性颗粒具有致密的氧化铁核心,容易从溶液中沉降,从而减少可利用的结合位点。因此,在检测过程中必须持续混合颗粒,以确保结合最大化。
在设计用于疾病诊断的试剂时,必须考虑患者样本的形式以及生物标志物的生理浓度。对于疟疾而言,患者血液中pfHRP-II的浓度可从低皮摩尔(picomolar)到高纳摩尔(nanomolar)不等。尽管该检测方法对较高感染水平具有临床相关性,但仍需提高检测限,以便能够检测到循环中pfHRP-II浓度处于低皮摩尔水平的无症状患者。在上述方法中,Ir1在组氨酸存在时产生“开启”信号。虽然疟疾生物标志物富含组氨酸,但其他血清蛋白(如人血清白蛋白和组氨酸富集糖蛋白)也会与探针产生信号响应,从而导致假阳性诊断结果。因此,将目标蛋白捕获至颗粒表面是一个有益的步骤,可实现从患者样本中快速提取目标蛋白。此外,设计一种双功能探针,将富含组氨酸的肽段与一种稳定的分子识别元件(即适配体)偶联,可为该检测增加另一层特异性。在与适配体偶联前,可先将肽段负载铱。在此类设计中,仍可利用稳定的Ir1探针,同时通过适配体实现对目标物的特异性识别。这将使探针能够应用于复杂基质(即血浆或全血)中天然HRP-II的检测,并减少非特异性结合效应。为进一步增强快速诊断测试的信号,可将该检测整合到电化学发光(ECL)系统中,使pfHRP-II在快速诊断试纸条(RDTs)上以电化学信号形式被检测26。这种新一代铱探针将显著提升我们在微珠上进行的ELISA检测在疾病生物标志物检测中的性能。
作者无任何利益冲突披露。
本研究工作得到了比尔及梅琳达·盖茨基金会全球健康大挑战项目“开发可在护理现场评估多种疾病和病原体的技术”的资助。K.M.D. 获得了美国国家科学基金会研究生研究奖学金(2012095464)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 二氯四(2-(2-吡啶基)苯基)二铱(III) | Sigma-Aldrich | 658383 | |
| 三氟甲磺酸银 | Sigma-Aldrich | 176435 | |
| 硅胶 | Sigma-Aldrich | 6858 | |
| L-氨基酸 | Fisher Scientific | 因产品而异 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| BNT-II 肽 | 本实验室合成 | 不适用 | |
| 重组 HRPII | Immunology Consultants Laboratory 公司 | AGPF-55 | |
| Corstar 黑色聚丙烯 96 孔板 | Fisher Scientific | 07-200-567 | |
| Corstar 白色聚丙烯 96 孔板 | Fisher Scientific | 07-200-589 | |
| Grenier 黑色聚丙烯 96 孔板 | VWR | 89089-582 | |
| Ni(II)NTA 磁性琼脂糖微粒 | Qiagen | 36111 | |
| Ni(II)NTA 生物层干涉传感器 | ForteBio | 18-5101 | |
| Octet Red96 生物层干涉仪 | ForteBio | ||
| Biotek Synergy H4 微孔板读板仪 | Biotek | ||
| Fisher Biotech 转印照明仪 | Fisher Scientific | FBDLT-88 |