饮用水源中蓝藻毒素的存在是供水管理机构关注的主要问题。为评估水体污染风险,本文介绍了一种利用抗体微阵列芯片在现场检测液体和固体样品中蓝藻菌株的实验方案。
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饮用水源中蓝藻毒素的存在是供水管理机构关注的主要问题。为评估水体污染风险,本文介绍了一种利用抗体微阵列芯片在现场检测液体和固体样品中蓝藻菌株的实验方案。
全球变暖和富营养化使一些水生生态系统成为真正的生物反应器,引发蓝藻的快速且大规模增殖;这带来了显著的健康和经济影响。许多蓝藻菌株可产生毒素,仅需少量细胞即可对环境造成不可逆的损害。因此,水体管理机构和行政部门需要快速高效的早期预警系统,以获得可靠数据,支持其预防性或治理性决策。本文报告了一种利用含有17种具有分类学分辨能力抗体(Abs)的抗体微阵列芯片(CYANOCHIP)在野外检测产毒蓝藻菌株的实验方案。文中描述了一种多重荧光夹心微阵列免疫测定法(FSMI),可同时监测在淡水生态系统中频繁形成水华的17种蓝藻菌株,其中部分为产毒菌株。在同一张显微镜载玻片上打印了多个完全相同的CYANOCHIP微阵列(最多达24个重复),以实现对相似数量样本的同步检测。液体样本可直接与抗体(Abs)孵育,或先通过1至3 μm滤膜过滤浓缩细胞后再进行检测。固体样本(如沉积物和研磨岩石)则首先在孵育缓冲液中使用手持式超声波破碎仪进行均质化和分散处理,随后经5–20 μm滤膜过滤以去除粗颗粒,滤液再与抗体进行孵育。免疫反应通过最终与17种荧光标记抗体的混合物孵育而显色,并由便携式荧光检测仪读取结果。整个过程约需3小时,其中大部分时间为两次各1小时的孵育阶段。输出结果为一幅图像,其中亮斑代表蓝藻标志物的阳性检出。
在包括生物医学、环境生态学和天体生物学在内的许多领域中,对复杂天然微生物群落中微生物的检测与监测至关重要。Cyanobacteria 是一类原核微生物,以其在淡水中形成水华(细胞过度增殖)的能力而广为人知。它们分布广泛,许多种类能够产生毒素,不仅对人类健康构成潜在威胁,还会造成生态影响。因此,开发快速且灵敏的方法,用于早期检测土壤和水体中的cyanobacteria和/或其毒素,显得尤为必要。为此,已开发出一种多重荧光夹心微阵列免疫分析法(FSMI),作为供水管理者决策的辅助工具,从而有助于实施恰当的水资源管理方案。
已开发出多种方法用于检测和鉴定土壤与水体中的蓝藻细胞及蓝藻毒素,包括光学显微镜技术、分子生物学技术和免疫学技术。这些方法在所提供信息的类型上可能存在显著差异。显微镜技术基于细胞形态以及色素的检测 体内 来自蓝藻色素(如藻蓝蛋白或叶绿素a)的荧光1尽管这些方法快速且成本低廉,可用于实时和频繁监测,能够提供有关类型和数量的信息 蓝细菌 存在于样本中时,它们无法提供有关潜在毒性的信息。此外,这些方法需要一定的专业知识,因为区分亲缘关系相近的物种通常非常困难2为了克服这些局限性,必须结合生物学和生物化学筛选实验以及物理化学方法,对微囊藻毒素进行鉴定和定量,同时辅以光学显微镜检测。
酶联免疫吸附测定(ELISA)、蛋白质磷酸酶抑制试验(PPIA)以及小鼠神经化学检测是用于检测蓝藻毒素的生化筛查方法的示例。尽管前两种方法具有快速和高灵敏度的优点,但在使用ELISA时可能出现假阳性结果,而PPIA仅限于检测三类毒素。小鼠生物测定法是一种定性技术,其灵敏度和精确度较低,且需要特殊的许可和培训。此外,该方法无法提供样品中所含毒素种类的信息。蓝藻毒素也可通过其他分析方法进行鉴定和定量,例如高效液相色谱法(HPLC)、液相色谱-质谱联用法(LC-MS)、气相色谱法(GC)、气相色谱-质谱联用法(GC-MS)或基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱法(MALDI-TOF)。然而,只有在具备用于测定复杂样品中单个毒素浓度所需的参比标准品时,这些方法才可行3,4。此外,这些方法耗时较长,需要昂贵的仪器、试剂和样品前处理过程,并且必须由经验丰富且具备专业技能的人员操作。
基于分子的方法已被应用于检测、鉴定和定量 蓝细菌 及其相应的蓝藻毒素,这得益于基因组数据库中已发布的序列信息(例如, 美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)。在这些方法中,包括基于聚合酶链式反应(PCR)的技术,该技术需要设计用于DNA扩增的引物组合,并依赖于不同蓝藻物种DNA序列的先验知识。虽然基因检测(如藻蓝蛋白操纵子)可实现属水平的准确鉴定,但某些物种或菌株可能无法通过该方法检出。然而,毒素编码基因(如微囊藻毒素操纵子中的基因)能够促进在产毒生物含量较低的样品中对毒素的鉴定5然而,通过PCR检测到毒素标记物并不一定意味着环境中存在毒性。此外,为分析整个物种范围而开发的引物组 蓝细菌 且样本中存在产毒生物的种类仍未完全明确,仍需进一步研究以鉴定未知物种。其他非基于PCR的分子技术包括荧光法 原位 杂交(FISH)和DNA微阵列
在过去的二十年中,微阵列技术在许多应用领域中变得越来越重要,尤其是在环境监测方面。DNA微阵列可用于区分物种和分析物4,6,7,8,9,10,但该技术被认为非常耗时且劳动密集,涉及多个步骤(例如,微阵列性能、DNA提取、PCR扩增和杂交)。因此,基于抗体的检测方法,如夹心式和竞争性免疫微阵列,因其耗时较少,已成为检测多种环境分析物的一种重要且可靠的高通量方法11,12,13。抗体能够特异性识别其靶标化合物,并检测微量的分析物和蛋白质,加之几乎可以针对任何物质制备抗体,这使得抗体微阵列成为环境研究中的强大技术。此外,该方法能够在单次检测中实现多重分析,检测限可达ppb至ppm级别,是其主要优势之一14。
基于抗体的生物传感器已被证明是环境监测中检测多种病原体和毒素的灵敏且快速的工具15,16,17,18,19,20,21尽管DNA方法涉及多个步骤,基于抗体的微阵列仅需少量样本前处理,主要依赖于在适当溶液缓冲液中进行的短暂裂解步骤。Delehanty 和 Ligler15 报道了基于抗体夹心免疫分析法同时检测复杂混合物中的蛋白质和细菌分析物,该方法可检测低至4 ppb的蛋白质浓度以及104 细胞的菌落形成单位/mL。Szkola 等21 已开发出一种廉价且可靠的多重微阵列,可同时检测可能用于生物战的蛋白质毒素和小分子毒素。该方法在不到20分钟内实现了对蓖麻毒素的检测,检测限低至3 ppb。近期,CYANOCHIP——一种基于抗体微阵列的生物传感器——用于 原位 检测有毒与无毒 蓝细菌,已被描述22该微阵列可用于鉴定水体环境中难以通过显微镜识别的潜在蓝藻水华。微阵列的检测限为102 - 103 大多数物种的细胞,使该生物传感器成为一种经济高效的多重检测与鉴定工具 蓝细菌即使在物种水平上也是如此。所有这些特性使得抗体微阵列技术,尤其是本研究中介绍的方法,相较于上述技术更为快速和简便。
本研究展示了利用基于抗体微阵列的生物传感器检测土壤和水样中cyanobacteria存在的两个实验实例。该方法基于夹心免疫分析格式,操作简便、结果可靠,仅需极小的样品体积和极为基本的样品前处理。该方法耗时短,可方便地在野外进行。
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1. 免疫原的制备
2. 多克隆抗体的制备
3. 抗体纯化
4. 荧光抗体标记
5. CYANOCHIP 的制备
6. 荧光夹心微阵列免疫测定法(FSMI)用环境多组分提取物的制备
7. 荧光夹心微阵列免疫测定法(FSMI)
8. 荧光扫描
9. 图像处理与数据分析
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本研究描述了一种多重免疫测定法,用于同时鉴定最重要的淡水蓝藻物种(表1),该方法基于CYANOCHIP抗体微阵列。微阵列可采用打印在显微镜载玻片上的3 × 8格式。每个微阵列包含一组17种抗体,以三重复点样模式打印,同时包括相应的前免疫抗体和牛血清白蛋白(BSA)作为阴性对照。微阵列还包含一个荧光边框,通过使用荧光标记的前免疫抗体,便于定位微阵列的图案22(图1)。
该微阵列在实地进行了测试 原位 对采自为马德里市供水的淡水洛索亚水库(Lozoya Reservoir)岸边的水样进行分析。样品处理方法如上所述,主要的阳性免疫反应对应于针对浮游生物的抗体 蓝细菌,例如 微囊藻 spp.(K4 和 K5),以及底栖的颤藻目(Oscillatoriales),例如 Leptolyng...
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本文介绍了一种使用CYANOCHIP的多重荧光夹心免疫测定法,CYANOCHIP是一种包含17种抗体的微阵列,可用于检测和鉴定多种蓝藻属22。这些cyanobacteria代表了淡水生境中最常见的底栖和浮游蓝藻属,其中一些种类能够产生毒素。近年来,荧光夹心免疫测定技术已被用于环境领域中微生物和/或生物分析物的鉴定26,27,28。该方法主要基于两个步骤:(i)将捕获抗体固定于芯片上,以特异性结合测试样品中的分析物;(ii)使用荧光标记的抗体(示踪或检测抗体)对分析物-抗体复合物进行检测。由于夹心免疫测定要求分析物上至少存在两个可接近的抗体结合位点(即表位)才能发生反应,因此任何阳性荧光信号均表明样品中存在相对较大且结构复杂、寡聚或多聚形式的分析物,这些分析物与用于制备捕获抗体的抗原相同或高度相似。
尽管该方法所需样品体积小、样品前处...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢马德里自治大学的 Antonio Quesada 博士提供蓝细菌菌株。本工作由以下机构资助: 研究项目总司副司长办公室 西班牙的 经济与竞争力部 (西班牙经济与竞争力部,项目编号:AYA2011-24803 和 ESP2014-58494-R)
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.22 mm 孔径滤器 | Millipore | GSWP04700 | 用于免疫原的制备 |
| Eppendorf 5424R 微型离心机 | Fisher Scientific | 用于免疫原的制备 | |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) pH 7.4 (10x) | Thermo Fisher Scientific | 70011036 | 50 mM 磷酸钾,150 mM NaCl,pH 7.4 |
| 超声波处理器 UP50H | Hielscher | 用于免疫原的制备 | |
| 完全弗氏佐剂 | Sigma-Aldrich | F5881 | 免疫增强剂 |
| 不完全弗氏佐剂 | Sigma-Aldrich | F5506 | 用于加强免疫注射 |
| Protein A 抗体纯化试剂盒 | Sigma-Aldrich | PURE1A | 用于 IgG 的分离 |
| 截留分子量<100 kDa 的离心过滤装置 | Millipore | UFC510096-96K | 用于 IgG 的分离 |
| 苯甲酰化透析管 | Sigma-Aldrich | D7884-10FT | 用于 IgG 的分离 |
| Illustra Microspin G-50 柱 | GE-HealthCare | GE27-5330-02 | 用于 IgG 的分离 |
| Bradford 试剂 | Sigma-Aldrich | B6916-500 mL | 用于定量抗体浓度 |
| MicroBCA 蛋白定量检测试剂盒 | Thermo Scientific | 23235 | 用于定量抗体浓度 |
| 2x 蛋白点样缓冲液 | Whatman (Sigma Aldrich) | S00537 | 打印缓冲液;含 0.01% Tween 20 的 1x PBS 中含 30–40% 甘油 |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P9416 | 非离子型去垢剂 |
| 牛血清白蛋白 (BSA) | Sigma-Aldrich | A9418 | 打印对照 ;封闭试剂 |
| 384 孔微孔板 | Genetix | X6004 | 用于抗体点样 |
| 多片载玻片机器人点样仪 | Digilab MicroGrid II TAS 点样仪 | 用于抗体点样 | |
| 环氧基底玻璃载玻片 | Arrayit 公司 | VEPO25C | 抗体点样的固体支持物 |
| Alexa Fluor-647 琥珀酰亚胺酯 | Molecular probes | A20006 | 荧光染料 |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D8418 | 荧光染料溶剂 |
| Heidolph Titramax 振荡平台摇床 | Fisher Scientific | 用于抗体标记 | |
| Illustra Microspin G-50 柱 | Healthcare | 27-5330-01 | 用于纯化标记抗体 |
| 棕色安全密封 0.5 mL 管 | Sarstedt | 72,704,001 | 用于储存标记抗体 |
| Nanodrop 1000 分光光度计 | Thermo Scientific | 用于定量抗体浓度和标记效率 | |
| 3 µm 孔径、47 mm 直径聚碳酸酯滤膜 | Millipore | TMTP04700 | 用于细胞浓缩 |
| 1 M Trizma 盐酸溶液 pH 8 | Sigma-Aldrich | T3038 | 用于 TBSTRR 的制备;封闭载玻片 |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | S7653 | 用于 TBSTRR 的制备 |
| 20 µm 尼龙滤膜 | Millipore | NY2004700 | 用于环境提取物的制备 |
| 10–12 mm 滤器支架 | Millipore | SX0001300 | 用于环境提取物的制备 |
| 蛋白酶抑制剂混合物 | Sigma-Aldrich | P8340 | 用于环境提取物的储存 |
| 1 M Trizma 盐酸溶液 pH 9 | Sigma-Aldrich | T2819 | 用于封闭载玻片 |
| Heidolph Duomax 1030 摇床 | VWR | 用于封闭载玻片;孵育过程 | |
| VWR Galaxy miniarray 微型离心机 | VWR | C1403-VWR | 用于干燥载玻片 |
| 多孔微阵列杂交盒 | Arrayit 公司 | AHC1X24 | 每张载玻片可进行 24 个检测的盒式装置 |
| GenePix 4100A 微阵列扫描仪 | Molecular Devices | 荧光扫描仪 | |
| GenePix Pro 软件 | Molecular Devices | 用于图像分析和定量的软件 |
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