本文介绍了一种利用分子印迹技术结合电容型生物传感器检测和定量复杂溶液中低丰度分子的实验方案。
方法文章
本文介绍了一种利用分子印迹技术结合电容型生物传感器检测和定量复杂溶液中低丰度分子的实验方案。
在自然科学领域,检测并定量复杂溶液中的生物分子始终备受关注,该技术可用于生物标志物、污染物及其他目标分子的检测。一种常用的技术是酶联免疫吸附测定(ELISA),该方法通常使用一种针对特定目标分子的抗体,以及另一种带有标记的抗体来检测初级抗体,从而实现对目标生物分子的绝对定量。然而,使用抗体作为识别元件限制了该方法的稳健性,同时依赖标记分子也带来一定局限。为克服这些不足,已引入分子印迹技术,通过构建与模板分子互补的人工识别位点,从而无需使用抗体进行初始结合。此外,为进一步提高灵敏度,可采用基于电容检测目标分子的生物传感器,替代传统的标记二抗。在本实验方案中,我们描述了一种快速、无标记地检测和定量复杂样本中低丰度生物分子(蛋白质和病毒)的方法,其灵敏度显著优于ELISA等常规检测系统。该方法完全基于分子印迹技术与电容生物传感器的结合实现。
生物分子的定量分析在科学界的许多不同研究领域中被广泛应用,常用方法包括放射免疫分析法(RIA)或酶联免疫吸附测定法(ELISA)1。其中一些方法需要使用标记试剂,例如放射性同位素或酶标记的抗体/抗原,导致其实验过程繁琐、耗时且劳动强度大2。此外,这些方法的稳定性、选择性和灵敏度并不足以满足所有分析需求,尤其是在需要检测飞克(attogram)级别而非皮克(pictogram)级别物质时,其性能尤为不足3。为此,生物传感器已引起广泛关注4,5,特别是当其与分子印迹技术结合时,可显著提高检测的稳定性。
分子印迹技术依赖于在模板周围聚合功能单体以形成空穴6,从而构建出与模板结构高度匹配的人工识别位点7。该技术已应用于多个领域,包括药物递送系统和分析分离,同时也被用作生物传感器中的生物识别元件8,9,10。然而,在针对蛋白质和细胞等大分子模板设计分子印迹聚合物(MIPs)时仍存在一些挑战11,12。为此,许多研究人员致力于将模板蛋白直接印迹在基底表面,从而构建出可特异性识别目标蛋白的表面结构12。这种用于大分子及复合物(包括蛋白质)识别空穴构建的表面涂层技术被称为微接触印迹技术13,14。该方法的一般流程依赖于两个表面之间的聚合反应——其中一个表面为吸附了模板的印模,另一个为经单体处理的聚合物基底15,16,两者接触后通过紫外光引发聚合,在基底上形成一层薄聚合物膜。最后去除模板,从而在印迹电极表面留下与模板特异性匹配的空穴。该方法具有一些优势,例如可显著减少印迹分子的活性损失,且所需模板分子用量极少16,17。因此,可在传感器表面构建出成本低、稳定性高、灵敏度高且选择性强的识别层,适用于任意用户指定的模板分子。
该生物传感器可用于检测 单个蛋白质以及 更大的生物大分子,包括病毒。近年来受到广泛关注的一类特定病毒是噬菌体,即能够感染细菌的病毒。在生物技术和生物制药过程中,快速且灵敏地检测噬菌体对于判断细菌培养物是否受到噬菌体感染至关重要18。目前最常用的噬菌体检测生物学方法是双层琼脂法19,但该方法费时且操作繁琐。已有多种尝试致力于开发用于病毒(包括噬菌体)检测的新型诊断工具,例如原子力显微镜(AFM)20、干涉测量法21、电化学技术22以及传感器系统23,24。由于生物传感器具有操作简便、高灵敏度以及可实现实时测量等优势,大量研究工作已集中于此类技术15,25。其中一种特定类型的生物传感器基于电容变化原理。这类电容型生物传感器属于电化学传感器,当分析物与传感器表面的生物识别元件相互作用时,会引起介电性质的变化,从而导致电容降低2,4。电容型生物传感器已被用于检测多种分析物,如抗原、抗体、蛋白质和重金属离子6,26,27,28。此类生物传感器具备诸多优点,包括固有的快速响应、高灵敏度、结构简单、成本低、易于操作以及无需标记即可实现实时测量29。
本文所述方法旨在实现对高度复杂样品中低丰度生物分子的检测与定量,且无需使用任何标记。该技术尤其适用于阿克至皮克范围内的生物分子检测,而在此范围内,其他现有的商用仪器难以对其目标分子进行准确定量。
1. 玻璃盖玻片的修饰(模板印章)
2. 电容性金电极的修饰
3. 模板印迹电容金电极的制备
4. 使用扫描电子显微镜(SEM)表征电极表面
5. 使用模板压印电容式金电极进行实时电容测量
按照图1所示的方案,将在裸金电极上印制代表生物大分子结构的模板。该电极可用于电容型生物传感器(图2),从而实现模板在电极上的稳定固定,并在模板结合时测量电容的变化。
电容型生物传感器的示意图如图2所示。图中可清晰看到中心泵,其作用是在再生过程中持续向流动池注入运行缓冲液(10 mM 磷酸盐,pH 7.4)和再生缓冲液(25 mM 甘氨酸-盐酸,pH 2.5)。流动池由工作电极、参比电极和对电极组成。进样阀包含标准蛋白/噬菌体溶液,这些溶液首先通过脱气装置,然后依次注入系统。一旦溶液到达插入流动池中的工作电极,即可实时监测反应结果。通过观察计算机屏幕上的传感器图,可记录电容值的变化。
图3 和 图4 显示裸露金电极与印迹金电极表面之间的差异。该表征步骤至关重要,以确保印迹后电极表面存在聚合物空穴,这些空穴在表面表现为粗糙度。除扫描电子显微镜(SEM)外,其他表征方法还包括原子力显微镜(AFM)、接触角测量和椭圆偏振光谱法 等等。,可用于表征压印后的表面。通过该方法,可确保压印过程成功,并在表面形成模板孔穴。在这些孔穴内,模板可实现高特异性和高亲和力的结合。
在将标准溶液注入电容系统后,软件自动计算最后五个读数的平均值,并通过绘制电容变化量与分析物浓度的关系曲线获得校准图。记录到的电容降低源于模板分子的结合。根据电容测量的一般原理,结合到金电极表面的分子越多,总电容的降低幅度越大。 图5 和 图6 表明随着分析物浓度的增加,ΔC 也随之增加,符合预期。通过分析这些图可以评估动态范围(即系统可用于检测特定目标的浓度范围)和检测限(LOD)。根据 图6,噬菌体印迹电容生物传感器可在10的浓度范围内检测噬菌体1 - 105 pfu/mL,本研究的检出限(LOD)为10 pfu/mL。两者 图5 和 图6 还需强调应在与模板浓度预期范围相同的区间内测定标准曲线,因为回归的线性关系可能随浓度变化而有所不同。图5),或具有不同的斜率(图6)。还应注意,由于所用浓度较低,该系统对波动非常敏感(样品浑浊、气流扰动等)。 等等。),因此建议至少进行三次重复实验,以降低纳入离群值的可能性。出于同样原因,对于高度稀释的样本,标准差可能会相当显著,如图中所示。 图6.

图1.微接触印迹方法的示意图。(A)玻璃盖玻片(模板印章)的制备,(B)电容性金电极的制备,(C)通过紫外光聚合将模板微接触印迹到金电极表面,以及(D)从电极表面去除模板(经许可转载自 Ertürk et al., Biotechnology Reports 2014 (3): 65 - 72)。请点击此处查看该图的放大版本。

图2. 电容型生物传感器的示意图。 本研究中所使用的电容型生物传感器的整体结构(经许可转载自 Ertürk et al., Biotechnology Reports 2014 (3): 65 - 72)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3.蛋白质印迹电极的扫描电子显微镜分析。 SEM图像显示:(A)裸金电极(比例尺 = 20 µm),以及(B)蛋白质印迹电容型金电极(比例尺 = 10 µm)。请点击此处查看该图的高清版本。

图 4. 噬菌体印迹电极的扫描电子显微镜分析。裸金电极的SEM图像(比例尺 = 20 µm)(A),以及不同放大倍数下的噬菌体印迹电容式金电极图像(6600倍,比例尺 = 10 µm)(B)和11,500倍(比例尺 = 5 µm)(C);箭头指示附着的噬菌体。请点击此处查看该图的高清版本。

图5. 缓冲液组成对校准曲线的影响。 校准曲线显示在最佳条件下电容随蛋白浓度的变化(运行缓冲液:50 mM Tris-HCl,pH 7.4;再生缓冲液:25 mM 甘氨酸-HCl,pH 2.5,含50 mM Tween-20;流速:100 µL/min;样品体积:250 µL;温度:25 °C)。请点击此处查看此图的放大版本。

图6. 大生物大分子的代表性校准曲线。该校准曲线显示了在最佳条件下电容变化与噬菌体浓度之间的关系(运行缓冲液:10 mM 磷酸盐,pH 7.4;再生缓冲液:25 mM 甘氨酸-盐酸,pH 2.5,含50 mM Tween-20;流速:100 µL/min;样品体积:250 µL;温度:25 °C)请点击此处查看该图的放大版本。
在执行该方法时,遵循方案过程中必须考虑一些关键步骤。其中一个关键步骤是使用酸性piranha溶液进行清洗。步骤2.1的时间不得超过10分钟。步骤1.4中的模板溶液浓度不得超过0.1 mg/mL,因为这些参数此前已优化确定。循环伏安扫描的循环次数不得超过15次,以获得最佳厚度。对于步骤3.1.3,1.5 µL为已优化的数值,针对此类特定电极,该值不得更高。若UV固化系统的功率为400 W,则聚合反应时间最长应控制在10 - 15分钟。在TEMED之后一旦加入APS(引发剂),必须立即快速进行后续操作,以避免发生迅速聚合(步骤3.2.5)。
最关键的步骤之一是在紫外光聚合后从表面移除模板印章。如果此步骤操作不当,可能会导致电极表面的聚合物薄膜随印章一起被剥离。因此,建议在聚合完成后,将电极及其上方的蛋白印章浸入水溶液中,然后非常缓慢而小心地从表面移除印章(步骤 3.1.6)。
根据所用模板,可通过改变所用单体的类型和比例(功能单体与交联剂)来评估其对提高灵敏度的影响,这需要通过实验确定。此外,模板分子的亲和结合通常涉及多种不同的相互作用同时发生,因此可能在再生步骤中引发问题。如果结合的模板未能从表面充分释放,可能会影响电极在后续分析中的重复使用性。这些多点亲和作用也可能源于较弱相互作用的结合,在此类系统中可能发生非特异性结合,从而对系统的选择性产生负面影响16。这些是该方法常见且普遍存在的局限性。
除了这些特定的局限性之外,与现有方法相比,所讨论的方法具有许多显著优势。尽管放射免疫分析法(RIAs)、酶联免疫吸附测定法(ELISAs)和荧光测定法具有很高的灵敏度,但它们都需要使用标记材料(无论是模板还是检测器),而该生物传感器则完全无需标记。这些方法的成本也更高,且耗时更长。采用生物传感器方法可同时快速平行合成不同组成的分子印迹聚合物(MIPs)16。由于制备过程仅需几微升单体溶液,因此在使用昂贵或来源有限的单体时,该方法尤为便捷。此外,单个MIP电极可重复使用约80次,性能无明显下降,远高于其他现有方法30。现有方法在不同程度上还存在灵敏度和选择性较低的问题,而本方法能够以高选择性实现对皮摩尔(pM)浓度范围内分子的检测与定量。
与现有方法相比,由于生物传感器具有成本效益高、仪器操作简便以及能够在短时间内实现实时灵敏检测等优势,因此在野外条件下作为现场即时检测系统极具前景;例如,可用于环境监测以及发展中国家的应用场景。在许多疾病诊断应用中,需要在血清等复杂混合物中对生物标志物进行实时、灵敏、选择性强且快速的检测15,25。在这些方面,生物传感器优于现有方法,尤其得益于其出色的稳健性和灵敏度。在病原微生物检测方面,近年来噬菌体因其对宿主细菌的高度特异性,被视为生物传感器中一种有潜力的替代性生物识别元件33,34,35。使用噬菌体替代抗体极具前景,不仅可进一步降低成本,还能提高检测系统的稳定性36。此类系统还可用于环境中及临床样本中特定噬菌体的检测与定量。鉴于噬菌体的广泛存在及其可将抗生素抗性基因转导至细菌的能力37,38,该方法在研究耐药菌传播方面可能具有重要价值。
作者无任何利益冲突需要披露。
感谢玛丽亚·鲍姆加滕(Maria Baumgarten,隆德大学感染医学系IQ生物技术平台)进行并提供了扫描电子显微图像。本研究得到了瑞典研究理事会Formas(2017-00100)的资助,该资助属于欧洲第三届抗菌药物耐药性联合规划倡议(JPIAMR)“传播动力学”项目的一部分"。资助方在研究设计、结果解读、论文撰写与准备、投稿决定或发表决定方面均未参与。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 玻璃盖玻片 | ThermoFisher | 102222 | 蛋白印章 |
| HCl | Sigma-Aldrich | H1758-500ML | 清洗 |
| NaOH | Sigma-Aldrich | 72068-100ML | 清洗 |
| 超声波清洗器 | Branson Ultrasonic | BRANSONIC M1800- E | 清洗 |
| 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES) | Sigma-Aldrich | A3648-100ML | 修饰 |
| EtOH | Sigma-Aldrich | 1009836010 | 冲洗/清洗 |
| 戊二醛 | Sigma-Aldrich | G5882-100ML | 交联剂 |
| 丙酮 | Sigma-Aldrich | 34850-1L-M | 清洗 |
| H2SO4 | Sigma-Aldrich | 339741-100ML | piranha 溶液 |
| H2O2 | Sigma-Aldrich | H1009-500ML | piranha 溶液 |
| 酪胺 | Sigma-Aldrich | T90344-5G | 修饰 |
| CompactStat | Ivium Technologies | CompactStat.h: 30mA@10V/3MHz | 恒电位仪 |
| 铂对电极套件 | Equilabrium | AFCTR5 | 恒电位仪 |
| 参比电极 | Equilabrium | RREF0021 | 恒电位仪 |
| 丙烯酰氯 | EMD Millipore | 8.00826.0100 | 修饰 |
| 三乙胺 | EMD Millipore | 8.08352.0100 | 修饰 |
| 甲苯 | Sigma-Aldrich | 244511-100ML | 修饰 |
| N-羟甲基丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | 245801-100G | 功能单体 |
| 聚乙二醇-400-二甲基丙烯酸酯 | Sigma-Aldrich | 409510-250ML | 交联剂 |
| 2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮 | Sigma-Aldrich | 410896-50G | 功能单体 |
| 紫外聚合仪 | Dymax | Dymax 5000ECE | 紫外聚合 |
| 镊子 | Sigma-Aldrich | Z168777-1EA | 耗材 |
| 1-十二烷硫醇 | Sigma-Aldrich | 471364-100ML | 封闭剂 |
| 丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | A3553-100G | 功能单体 |
| N-羟甲基丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | 245801-100G | 功能单体 |
| N-异丙基丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | 415324-50G | 功能单体 |
| 亚甲基双丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | 146072-500G | 交联单体 |
| N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED) | Sigma-Aldrich | T9281-25ML | 催化剂 |
| 过硫酸铵 | Sigma-Aldrich | A3678-25G | 引发剂 |
| 电容式生物传感器 | CapSenze | 设备 | |
| 甘氨酸 | Merck | 1042011000 | 再生缓冲液 |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416-50ML | 再生缓冲液 |
| Trizma 基础缓冲液 | Sigma-Aldrich | 93352-1KG | 运行缓冲液 |
| Na2HPO4 • 2H2O | Calbiochem | 567547-1KG | 运行缓冲液 |
| NaH2PO4 • 2H2O | Calbiochem | 567549-1KG | 运行缓冲液 |
| DELPHI 相关光镜与电镜系统 | Phenom-World | 设备 | |
| 电容式金电极 | CapSenze Biosystems | 耗材 | |
| 2,2'-偶氮双(2-甲基丙腈) | Sigma-Aldrich | 441090-25G | 光引发剂 |
| CapSenze Smart 软件 | CapSenze Biosystems | 软件程序 |
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