Kilka metod chemicznych do wykrywania i ilościowego oznaczania biomarkerów jest rutynowo stosowanych zarówno w chemii białek, jak i w diagnostyce klinicznej, szczególnie w diagnozowaniu raka i ocenie postępu chorób sercowo-naczyniowych. Obecnie metody takie jak wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), test immunoenzymatyczny (ELISA) i spektrometria mas polegają na pobieraniu próbek z przedziału naczyniowego1,2,3 poprzez pobieranie płynu luzem lub kompartment śródmiąższowy za pomocą mikrodializy. Mikrodializa wykorzystuje półprzepuszczalną rurkę membranową o znanej długości, którą umieszcza się w obszarze zainteresowania. Płyn zbierający jest przetłaczany przez rurkę przez kilka minut4 w celu pobrania próbki do analizy5, ograniczając w ten sposób rozdzielczość czasową. W ten sposób pobrane próbki zapewniają jedynie uśrednioną w czasie wartość lokalnego mikrośrodowiska i są ograniczone szybkością perfuzji i pobraniem wystarczającej objętości próbki. Ponadto metody te wymagają łączenia danych doświadczalnych i uśredniania sygnałów; W związku z tym mogą nie uwzględniać zmienności między przedmiotami. Co ważne, czas między pobraniem próbki a późniejszą analizą offline wyklucza natychmiastową interwencję kliniczną i terapię.
W niniejszym protokole opisano użycie pojemnościowego biosensora immunosondy (sondy CI) do czasowo rozdzielczego wykrywania elektrycznego określonych peptydów bioaktywnych. Neuropeptyd Y (NPY), uwalniany z pozazwojowych neuronów współczulnych, które unerwiają naczynia krwionośne, wsierdzie, kardiomiocyty i zwoje wewnątrzsercowe, jest głównym neuromodulującym przekaźnikiem peptydów w układzie sercowo-naczyniowym6,7,8,9. Przedstawiona tutaj metoda ma na celu pomiar NPY, a eksperymentalna wykonalność została zademonstrowana na modelu serca świni. Jednak podejście to ma zastosowanie do każdego bioaktywnego peptydu, dla którego dostępne jest selektywne przeciwciało10. Ta metoda opiera się na pojemnościowym połączeniu między sondą z drutu platynowego a płynem przewodzącym w funkcjonalizowanym tip11,12. W tym zastosowaniu interakcja była pośredniczona przez przeciwciało przeciwko docelowemu neuropeptydowi (NPY), które było związane z końcówką elektrody, łącząc się ze środowiskiem płynu przewodzącego. Funkcjonalizację tę osiągnięto poprzez elektroosadzanie reaktywnej polidopaminy na końcówce sondy z drutu platynowego10,13.
Gdy sonda funkcjonalizowana przeciwciałami jest umieszczona w obszarze zainteresowania in vivo, wywołane endogenne uwalnianie NPY prowadzi do wiązania się z przeciwciałami pułapkującymi na końcówce sondy, a płyn przewodzący na powierzchni elektrody jest wypierany przez białko NPY. Lokalne zmiany w środowisku elektrycznym powodują przemieszczenie płynu o wysokiej mobilności i wysokim dielektryku z nieruchomą, naładowaną statycznie cząsteczką. Zmienia to granicę faz elektroda-płyn, a tym samym jej pojemność, która jest mierzona jako zmiana prądu ładowania w odpowiedzi na potencjał dowodzenia funkcji krokowej. Ujemny potencjał "resetowania" jest wykorzystywany natychmiast po każdym indywidualnym cyklu pomiarowym, aby odeprzeć związany NPY od przeciwciała poprzez oddziaływanie elektrostatyczne, usuwając w ten sposób miejsca wiązania przeciwciał dla kolejnych rund pomiaru10. Pozwala to na efektywny pomiar NPY w sposób czasowo-rozdzielczy. Unikalna technika implantu ślimakowego pokonuje ograniczenia opisanych powyżej metod immunochemicznych opartych na mikrodializie w celu pomiaru dynamicznych poziomów biomarkerów z pojedynczego eksperymentu bez łączenia danych lub uśredniania sygnałów w kilku eksperymentach9, dostarczając dane w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Co więcej, możliwość dostosowania tej metody do dowolnego biomarkera będącego przedmiotem zainteresowania, dla którego istnieje odpowiednie przeciwciało w skali czasowo rozdzielczej i zlokalizowanej, stanowi duży postęp techniczny w pomiarach immunochemicznych do oceny postępu choroby i kierowania interwencjami terapeutycznymi.
Oprogramowanie do akwizycji i analizy danych zostało napisane na zamówienie w IGOR Pro (w pełni interaktywne środowisko oprogramowania). System przetwornika analogowo-cyfrowego (A/D) emitował napięcie sterujące pod kontrolą komputera i pobierał dane z niestandardowego wzmacniacza. Wzmacniacz posiadał pewne unikalne cechy. Obejmowały one rezystor sprzężenia zwrotnego (przełączany) dla każdego z czterech kanałów akwizycji, co pozwalało na wybór obwodów cęgowych napięcia sprzężenia zwrotnego 1 MOhm lub 10 MOhm w celu zintegrowania zmienności elektrody. Zbudowano również jednostkę stopniową z pojedynczą głowicą i wzajemnym obwodem uziemiającym/referencyjnym dla wszystkich czterech kanałów akwizycji, aby umieścić urządzenie w pobliżu skrzyni w jednym module fizycznym. Do zebrania wszystkich raportowanych danych użyto ustawienia rezystora sprzężenia zwrotnego 1 MOhm.
Ustawienia filtra i wzmocnienia zostały przesłane telegraficznie ze wzmacniacza i zapisane w pliku danych. Dane były filtrowane z częstotliwością 1 kHz za pomocą 2-biegunowego analogowego filtra Bessela zdigitalizowanego z częstotliwością 10 kHz. Różnica potencjałów między sondą a otaczającym ją roztworem przewodzącym tworzy warstwę pojemnościową Helmholtza na końcówce sondy. Wiązanie liganda z przeciwciałem na końcówce sondy powoduje zmianę ładunku lokalnego, a tym samym zmianę pojemności Helmholtza. Ta zmiana w składowej pojemnościowej obwodu powoduje przesunięcie wielkości wstrzykiwanego ładunku wymaganego do doprowadzenia sondy do potencjału w protokole napięcia z funkcją krokową. W ten sposób wiązanie określonego liganda z funkcjonalizowaną sondą powoduje zmianę pomiaru pojemności elektrody jako zmianę szczytowego prądu pojemnościowego.