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Detecção Simultânea de Diferentes Classes de Anticorpos em um Teste Sorológico Multiplexado

DOI:

10.3791/65323

⸱

July 14th, 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1NMI Natural and Medical Sciences Institute at the University of Tübingen, 2Department of Neurology, Sächsisches Krankenhaus Rodewisch, 3Department of Epidemiology, Helmholtz Centre for Infection Research, 4German Centre for Infection Research (DZIF)

* These authors contributed equally

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Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Um sistema de análise de fluxo de fluorescência de três canais de duplo repórter foi usado para desenvolver um imunoensaio multiplex baseado em esferas que avalia simultaneamente amostras de soro para IgG e IgM eliciadas contra múltiplos antígenos de diferentes espécies de Borrelia que causam borreliose de Lyme na Europa e América do Norte.

Abstract

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Para monitorar a progressão de doenças infecciosas, é útil avaliar a imunorreatividade contra vários determinantes antigênicos e medir diferentes isotipos de anticorpos, pois eles aparecem em diferentes estágios da resposta imune do hospedeiro. Com a borreliose de Lyme, o agente patogênico pode ser um dos múltiplos membros da espécie Borrelia . Portanto, a correta classificação das amostras requer a avaliação da imunorreatividade contra diferentes antígenos de diferentes espécies de Borrelia . Além disso, as respostas IgG e IgM antipatogênicas podem ter diferentes cursos de tempo de eliciação durante a progressão da doença. Aqui demonstramos o desenvolvimento de um imunoensaio multiplex de dois repórteres que tem utilidade em identificar a resposta imune Borrelia-específica em amostras de soro humano, avaliando simultaneamente a imunorreatividade de IgG e IgM contra antígenos bacterianos diferentes na mesma reação. Essa abordagem de repórter duplo mantém o desempenho analítico dos métodos de repórter único, economizando tempo e recursos e reduzindo os requisitos de tamanho de amostra. Este ensaio permite essencialmente o dobro da informação serológica a ser gerada a partir de uma amostra de sangue em metade do tempo.

Introduction

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A borreliose de Lyme é a doença infecciosa transmitida por carrapatos mais comum em climas moderados do hemisfério norte1. É causada por bactérias espiroquetas do gênero Borrelia, com cinco patógenos humanos conhecidos que variam em distribuição geográfica2. As principais espécies patogênicas de Borrelia na Europa são B. afzelii e B. garinii, sendo B. burgdorferi s.s., B. spielmanii e B. bavariensis implicadas com menor frequência. Na América do Norte, B. burgdorferi s.s. é o único agente causador da borreliose de Lyme 2,3. Os patógenos da borrelia são transmitidos por membros do gênero Ixodes, podendo a transmissão ocorrer em até 24 horas após a picada do carrapato4.

O diagnóstico de borreliose de Lyme é tipicamente feito por sintomas clínicos e posteriormente confirmado por sorologia. Tanto na Europa quanto na América do Norte, as diretrizes diagnósticas recomendam uma série de testes em duas etapas que consiste em um ensaio imunoenzimático (ELISA) com um immunoblot reflexo para avaliar a resposta de anticorpos contra antígenos específicos da Borrelia 1,5,6,7,8,9 . No entanto, essa abordagem não tem sensibilidade e é subótima, particularmente na fase inicial da infecção, quando a soroconversão pode ser incompleta e os títulos de IgG e IgM antiborrelia são muito baixos6.

Os imunoensaios multiplex melhoram os imunoensaios tradicionais, que medem apenas um alvo de cada vez e podem avaliar simultaneamente múltiplas respostas isotípicas de anticorpos contra um ou mais antígenos 10,11,12. Ensaios como ELISAs limitam-se a identificar e quantificar um único analito por reação, no caso atual IgG ou IgM circulante induzida contra um único antígeno bacteriano após infecção por Borrelia. Este relato ilustra o uso da tecnologia de perfil de analitos baseada em contas para o desenvolvimento de um imunoensaio multiplex que detecta simultaneamente anticorpos IgG e IgM contra qualquer um dos antígenos de Borrelia aqui escolhidos em amostras de soro humano. Foram selecionados quatro antígenos que, juntos, cobrem as espécies patogênicas mais comuns de Borrelia nativas da Europa (B. Garinii, B. afzelii, B. burgdorferi s.s.) e América do Norte (B. burgdorferi s.s.) (Tabela 1) 2.3. Isso permite a identificação decisiva do patógeno e a capacidade de discernir a imunorreatividade IgM precoce e, posteriormente, mais durável, IgG em amostras de pacientes.

Isótipo alvoCanal do RepórterAntígenoEspécies de BorreliaCoarConcentração de acoplamento de antígeno
Grão-mestrePEOspCB. garinii |200475,0 μg/106 contas
IgGBV421VlsEB. burgdorferi s.sB311,25 μg/106 contas
IgGBV421DbpAB. burgdorferi s.s.ZS710,0 μg/106 contas
IgGBV421DbpAB. afzeliiPKo5,0 μg/106 contas

Tabela 1: Antígenos representativos de Borrelia utilizados para o desenvolvimento do ensaio multiplex.

Inicialmente, desenvolvemos um imunoensaio de repórter único que detectou anticorpos IgG ou IgM anti-antígeno de Borrelia em duas reações separadas e, em seguida, fundimos esses ensaios em um ensaio multiplex de repórter duplo que mede ambos os isotipos de anticorpos na mesma mistura de reação. As esferas magnéticas são acopladas a um antígeno alvo do patógeno de interesse e, em seguida, incubadas com amostras de soro do paciente. O antígeno acoplado ao grânulo é reconhecido e capta tanto a IgG quanto a IgM circulantes no soro que é gerado em uma resposta imune contra esse antígeno patogênico. A especificidade IgG versus IgM do ensaio é determinada pela seleção de um anticorpo secundário que se liga a IgG ou IgM, cada um com um sinal de fluoróforo distinto associado aos dois anticorpos secundários. Cada sinal fluorescente é detectado em um dos dois canais Reporter do instrumento (i.e., dual-reporter) que tem um laser de excitação diferente e captura de emissão específica para o único fluoróforo usado para detectar IgG ou IgM (aqui Brilliant Violet 421 ou ficoeritrina, respectivamente). O instrumento Canal de Classificação identifica o corante codificado por cores que é inerente a diferentes conjuntos de contas. Assim, múltiplos antígenos-alvo podem ser acoplados a esferas tingidas de forma diferente, e os conjuntos de esferas misturados e usados para avaliar de forma abrangente a imunorreatividade antipatogênica diversa em amostras de soro. O Canal de Classificação identifica cada conjunto de contas individual (ou seja, antígeno específico) e mede a fluorescência associada a IgG ou IgM contra esse antígeno. O ensaio multiplex resultante economiza tempo e recursos em comparação com testes clássicos menos abrangentes e cataloga com precisão a imunorreatividade de Lyme em volumes limitados de amostras. Considerando que uma abordagem similar do dual-reporter foi usada previamente para categorizar respostas imunes em outras patologias tais como a infecção SARS-CoV-213, este relatório detalha a aplicação da tecnologia do ensaio fluorescente multiplex para caracterizar a imunorreactividade na borreliose de Lyme.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aprovação apropriada do Comitê de Ética e Comitê de Ética foi recebida para o uso de amostras de soro humano nesta série experimental. As amostras foram anonimizadas materiais residuais de um estudo nacional alemão da soroprevalência SARS-CoV-214. A aprovação para o uso de amostras humanas foi concedida pelo Comitê de Ética da Faculdade de Medicina de Hannover, Alemanha (9086_BO_S_2020). Um total de 21 amostras de soro humano foi utilizado no presente estudo.

1. Aprovação ética para o uso de amostras humanas

  1. Obter aprovações éticas apropriadas para o uso de amostras humanas.

2. Reagentes e equipamentos

  1. Amostras de soro humano: Realizar validação técnica de ensaio e controle de qualidade utilizando amostras de soro de pessoas previamente diagnosticadas com borreliose de Lyme ou de estado imunológico negativo para Borrelia demonstrado12,14.
  2. Instrumentação de Repórter Único. Use um instrumento de repórter único de dois canais (Tabela de Materiais) para o desenvolvimento inicial do ensaio e validação técnica.
    NOTA: O sistema de relatório único tem dois lasers: 1) identifica e quantifica a fluorescência específica do conjunto de contas para discriminar diferentes conjuntos de contas, se usado (Canal de Classificação), e 2) detecta e quantifica a fluorescência da ficoeritrina (PE) alvo-específica ligada ao grânulo (Canal do Repórter; excitação de 532 nm, emissão "laranja" de 565-585 nm). Assim, apenas uma única classe de isotipo de anticorpos (por exemplo, IgG ou IgM) pode ser analisada de uma só vez usando o único Canal do Repórter.
    1. Realizar estudos iniciais de validação para avaliar IgG e IgM anti-Borrelia separadamente, em um formato de 96 poços de relatório único que usa reagentes de detecção marcados com PE para ambas as classes de anticorpos.
      NOTA: O ensaio actual avalia IgGs circulantes específicas para o antígeno de Borrelia VlsE e duas variantes de DbpA, e IgM circulante específica para o antígeno OspC, como exemplos representativos. O ensaio pode ser expandido para avaliar a imunorreatividade sérica contra outros antígenos antiborrelia , conforme desejado12.
  3. Instrumentação Dual-Reporter. Utilizar um instrumento dual-reporter de três canais (Tabela de Materiais) que permite a análise simultânea de IgG/IgM na mesma reação, para o desenvolvimento e validação técnica do ensaio duplo IgM/IgG (detalhado abaixo). Este instrumento possui 3 canais de detecção de fluorescência total, dos quais 2 são canais Reporter que avaliam sinais associados a Ig direcionados.
    NOTA: O sistema dual-reporter possui três lasers: 1) identifica e quantifica a fluorescência específica do conjunto de contas (Canal de Classificação); 2) detecta e quantifica a fluorescência da ficoeritrina (PE) alvo-específica (Canal Repórter 1; excitação de 532 nm, emissão "laranja" de 565-585 nm) e 3) avalia a fluorescência alvo-específica do Brilliant Violet 421 (BV421) de um segundo analito alvo (Canal Repórter 2; excitação de 405 nm, emissão "azul" de 421-441 nm). O sistema dual-reporter é compatível com os formatos de ensaio de placa de microtitulação (manuseio semi-automatizado) de 96 e 384 poços. O esquema geral de ensaios é mostrado na Figura 1. As etapas do protocolo são detalhadas a seguir.

3. Acoplamento antigénio

  1. Acoplar os antígenos de Borrelia a microesferas magnéticas, carboxiladas e fluorescentes codificadas por cores de 6,5μm (contas; Tabela de Materiais) usando química 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)carbodiimida (EDC)/sulfo-N-hidroxisuccinimida (sNHS).
    NOTA: Uma descrição detalhada pode ser encontrada na referência11e na referência12. Encontre a concentração de acoplamento de cada antígeno na Tabela 1. As esferas acopladas devem ser armazenadas no escuro a 4 °C até o uso. Todos os buffers utilizados nas reações de acoplamento e detecção estão detalhados nos Materiais Suplementares.

4. Procedimento de ensaio: Teste sorológico IgG ou IgM de repórter único: formato de 96 poços

  1. Diluir a amostra em 2 etapas (2 etapas, ambas em placas de 96 poços; diluição da amostra de soro de 200 vezes em tampão de ensaio).
    NOTA: A composição do tampão de ensaio é uma mistura 1:4 de tampão cruzado baixo: PBS contendo 1% (p/v) de albumina de soro bovino. Tween-20 é adicionado à mistura até uma concentração final de 0,05 % (v/v).
    1. Etapa 1 de diluição da amostra: Misturar 5 μL da amostra de soro com 120 μL do tampão de ensaio (diluição de 25 vezes).
    2. Etapa 2 de diluição da amostra: Diluir adicionalmente 8 vezes a diluição da amostra de 25 vezes, misturando 10 μL da diluição com 70 μL do tampão de ensaio para tornar a diluição final da amostra em 200 vezes.
  2. Diluição da mistura de esferas magnéticas
    1. Preparar uma mistura de contas contendo 1,0 × 106 contas/mL por população de contas (ou seja, por antígeno alvo único).
    2. Diluir a mistura de contas preparada 25 vezes em tampão de ensaio para que a concentração final do cordão nesta suspensão diluída seja agora de 4 × 104 contas/mL por população de contas (ou seja, por antígeno alvo único).
  3. Incubação da amostra de soro com contas
    1. Pipetar 25 μL de suspensão de esferas multiplex acoplada diluída (contendo 4,0 × 104 contas/conjunto/mL) em poços designados de uma placa de microtitulação de meia área de 96 poços (Tabela de Materiais).
    2. Adicionar 25 μL de amostra de soro diluída 200 vezes (do passo 4.1 acima) em poços apropriados contendo 25 μL de suspensão de esferas acopladas.
      NOTA: Isso produz uma diluição adicional de 2 vezes, de modo que a diluição final da amostra de soro no poço é de 400 vezes e a contagem final de contas é de 1000 contas/conjunto de contas/reação de 50 μL.
    3. Cubra a placa de reação de 96 poços com um selo de microplaca (folha adesiva ou tampas de placa plástica).
    4. Incubar a placa durante 2 h a 20 °C, a 750 rpm num agitador de placas.
  4. Lavagem de contas
    1. Remova a placa de reação de 96 poços do agitador de placas e remova cuidadosamente o selo da placa adesiva.
    2. Coloque a placa de reação de 96 poços em uma lavadora de placas.
    3. Lavar as contas três vezes com tampão de lavagem de 100 μL (1× PBS + 0,05% v/v Tween 20) usando o lavador automático de placas magnéticas.
  5. Ressuspenda as contas lavadas em 100 μL de tampão de lavagem, cubra a placa com folha adesiva ou tampa de placa plástica e agite a placa em um agitador de placa por 1 min a 20 °C a 1000 rpm.
  6. Divida as contas lavadas
    1. Remova a placa de reação de 96 poços do agitador de placas e remova cuidadosamente o selo da placa adesiva.
    2. Misture as reações pipetando para cima e para baixo cinco vezes e transfira 50 μL de cada volume de reação de 100 μL para cada uma das duas novas placas de reação de 96 poços, uma placa para detecção de IgG e outra para detecção de IgM.
  7. Incubação de anticorpos/reagentes de detecção
    NOTA: Neste ponto, as esferas acopladas ao antígeno alvo foram incubadas com amostras de soro para extrair anticorpos circulantes no soro (se presente) que reagem com o(s) antígeno(s). As esferas reagidas com imunoglobulina ligada foram divididas em duas placas, e IgG e IgM são agora detectadas e quantificadas em suas placas separadas usando anticorpos secundários isotipo-específicos com um rótulo de EP. Escalonamento do manuseio da placa por 20 min.
    1. Aspirar o sobrenadante dos poços contendo esferas magnéticas usando o lavador de placas magnéticas.
    2. Para cada placa, fazer a mistura apropriada de Reagente de Detecção de Ig (anti-IgG ou anti-IgM), contendo IgG de cabra anti-humano conjugado com PE (3 μg/mL) ou IgM anti-humano de burro conjugado com PE (5 μg/mL) no tampão de ensaio. Para cada talão contendo talão, são utilizados 30 μL de Reagente de Detecção. Prepare volumes suficientes de reagentes de detecção de IgG e IgM para poços de reação, com extra suficiente para acomodar perdas de pipetagem.
    3. Pipetar 30 μL de Reagente de Detecção de IgG em cada poço contendo esferas reagidas na placa de IgG e cobrir a placa de reação de 96 poços com um selo de microplaca.
    4. Pipetar 30 μL de Reagente de Detecção de IgM em cada poço contendo esferas reagidas na placa de IgM e cobrir a placa de reação de 96 poços com um selo de microplaca.
    5. Incubar durante 45 minutos a 20 °C enquanto agita a 750 rpm num agitador de placas.
  8. Lavagem de contas
    1. Remova a placa de reação de 96 poços do agitador de placas e remova cuidadosamente o selo da placa adesiva.
    2. Coloque a placa de reação de 96 poços em uma arruela de placa magnética.
    3. Lave as contas três vezes com tampão de lavagem de 100 μL usando o lavador de placas magnéticas.
  9. Ressuspenda as contas em 100 μL de tampão de lavagem.
  10. Analise os resultados no instrumento de repórter único.
    1. Cubra a placa de reação de 96 poços com um selo de microplaca.
    2. Agitar a placa de reação de 96 poços por 3 min a 20 °C, a 1000 rpm em um agitador de placa.
    3. Transfira a placa de reação de 96 poços do agitador de placas e coloque em um instrumento analisador de fluxo de relatório único (Tabela de Materiais).
    4. Para cada amostra, analise a intensidade fluorescente mediana (MFI) usando as seguintes configurações do instrumento: Volume de captação = 80 μL, Contagem = 50/população de contas, Timeout = 60s, Gating = 7.500-15.000)12,13.

5. Procedimento de ensaio: Teste sorológico de IgG e IgM de duplo repórter: formato de 96 poços

  1. Diluição da amostra (2 etapas, ambas em placas de 96 poços; diluição da amostra de soro de 200 vezes em tampão de ensaio)
    1. Etapa 1 de diluição da amostra: Misturar 5 μL de amostra de soro com 120 μL de tampão de ensaio (diluição de 25 vezes).
    2. Etapa 2 de diluição da amostra: Diluir as diluições da amostra a 25 vezes mais 8 vezes misturando 10 μL da primeira diluição (amostra diluída em 25 vezes do ponto 5.1.1) com tampão de ensaio de 70 μL (diluição de 8 vezes), para obter a diluição final da amostra a 200 vezes.
  2. Diluição da mistura de esferas magnéticas
    1. Preparar uma mistura de contas contendo 1,0 × 106 contas acopladas a antígeno alvo/mL por população de contas (ou seja, por antígeno alvo único).
      NOTA: Nesta série experimental, avaliamos a imunorreatividade de IgG e IgM contra quatro antígenos únicos de Borrelia em cada reação.
    2. Diluir a mistura de contas preparada 50 vezes em tampão de ensaio. A concentração de esferas nesta suspensão diluída é agora de 2,0 × 104 contas/mL por população de contas.
      NOTA: O número de contas na reação de ensaio duplex é reduzido pela metade daquele usado na reação de repórter único para permitir a comparabilidade direta entre os dois ensaios e conservar recursos, depois que estudos preliminares confirmaram que o sinal de fluorescência foi mantido dentro da faixa linear de quantificação ao usar metade do número de contas.
  3. Incubação da amostra de soro com contas
    1. Pipetar 25 μL de suspensão de esferas diluídas acopladas a antígeno alvo (contendo 2,0 × 104 contas/conjunto/mL) em poços pré-designados de uma placa de microtitulação de meia área de 96 poços. O número exato de poços de reação e sua colocação na placa dependem do número total de amostras testadas determinado pelo operador e se poços únicos ou replicados serão executados por amostra.
      NOTA: As esferas magnéticas acopladas ao antígeno alvo serão reagidas com amostras de soro humano. Tanto a IgG quanto a IgM imunorreativas ao antígeno antiborrelia , se presentes nas amostras, se ligarão e serão imobilizadas nas mesmas esferas acopladas ao antígeno. A quantificação de anticorpos secundários de IgG e IgM ligada será então realizada nas mesmas esferas nas mesmas reações, usando fluoróforos diferentes para identificação de IgG e IgM que permitam sua diferenciação.
    2. Adicionar 25 μL de soro diluído 200 vezes (do passo 5.1 acima) em cada poço contendo 25 μL de suspensão mista de esferas acopladas a antigénio alvo (passo 5.2).
      NOTA: Isso produz uma diluição adicional de 2 vezes, de modo que a diluição final da amostra de soro no poço é de 400 vezes, e a contagem final de contas é de 500 contas/conjunto de contas/reação de 50 μL.
    3. Cubra a placa de reação de 96 poços com um selo de microplaca (folha adesiva ou tampa de placa plástica).
    4. Incubar a placa com contas durante 2 h a 20 °C, a 750 rpm num agitador de placas.
  4. Lavagem de contas (para remover o excesso de amostra de soro)
    1. Remova a placa de reação de 96 poços do agitador de placas e remova o selo da placa adesiva.
    2. Coloque a placa de reação de 96 poços em uma arruela de placa magnética.
    3. Lave as contas três vezes com tampão de lavagem de 100 μL usando o lavador de placas magnéticas.
  5. Aspirar o volume final de lavagem das contas após a última etapa de lavagem.
  6. Detecção de anticorpos (Incubação - Parte I)
    1. Fazer reagente de detecção dupla de IgG e IgM fresco contendo IgG biotinilado de cabra anti-humano (1 μg/mL) juntamente com IgM anti-humano de burro conjugado com PE (5 μg/mL) em tampão de ensaio. Para cada poço contendo talão, são utilizados 30 μL de Reagente de Detecção Dupla. Prepare volumes suficientes de reagentes de detecção dupla de IgG e IgM para poços de reação, com extra suficiente para acomodar perdas de pipetagem.
    2. Pipetar 30 μL de Reagente de Detecção Dupla de IgG e IgM em cada poço designado e cobrir a placa de reação de 96 poços com um selo de microplaca.
    3. Incubar a placa durante 45 minutos a 20 °C enquanto agita a 750 rpm num agitador de placas.
  7. Lavagem de contas (para remover o excesso de anticorpos de detecção)
    1. Remova a placa de reação de 96 poços do agitador de placas e remova cuidadosamente o selo da placa adesiva.
    2. Coloque a placa de reação de 96 poços em uma lavadora de placas magnética automatizada.
    3. Lave as contas três vezes com tampão de lavagem de 100 μL usando o lavador de placas magnético automatizado.
  8. Aspirar o volume final de lavagem das contas após a última etapa de lavagem.
  9. Repórter conjugado com estreptavidina (Incubação - Parte II)
    1. Diluir a estreptavidina fresca marcada com BV421 em tampão de ensaio até uma concentração de 0,2 μg/ml. Para cada talão contendo talão, 30 μL de estreptavidina marcada com BV421 são usados. Prepare um volume suficiente de estreptavidina marcada com BV421 para poços de reação, com extra suficiente para acomodar perdas de pipetagem.
    2. Pipetar 30 μL de BV421-Streptavidin diluído em cada poço de reação e cobrir a placa de reação de 96 poços com o selo da microplaca.
    3. Incubar a placa durante 30 minutos a 20 °C enquanto agita a 750 rpm num agitador de placas.
  10. Lavar contas (para remover o excesso BV421-Streptavidin)
    1. Remova a placa de reação de 96 poços do agitador de placas e remova cuidadosamente o selo da placa adesiva.
    2. Coloque a placa de reação de 96 poços na lavadora de placas magnéticas.
    3. Lave as contas três vezes com tampão de lavagem de 100 μL usando o lavador de placas magnético automatizado.
  11. Ressuspenda as esferas dentro dos poços até um volume final de 100 μL em tampão de lavagem.
  12. Analisar os resultados no instrumento dual-reporter
    1. Cubra a placa de reação de 96 poços com um selo de microplaca.
    2. Incubar a placa de reação de 96 poços por 3 min a 20 °C, a 1000 rpm em um agitador de placa.
    3. Transfira a placa de reação de 96 poços do agitador de placas para o instrumento analisador de fluxo de relatório duplo (Tabela de Materiais).
    4. Avaliar a intensidade fluorescente mediana (MFI) da amostra de acordo com as instruções do fabricante (Configurações do instrumento: Modo Dual-Reporter, Volume de captação = 80 μL, Contagem = 50/população de contas, Tempo limite = 60s, Gating = 7.500-15.000).

6. Teste sorológico duplo de IgG e IgM: formato semi-automatizado de 384 poços

  1. Execute o ensaio de relatório duplo em formato de placa de 384 poços usando as etapas de ensaio detalhadas na seção 5, mas processe amostras usando um robô de pipetagem e uma lavadora de placas magnética automatizada (Tabela de Materiais). No formato de 384 poços, agite as placas durante incubações e lavagens a 1450 rpm e, antes de medir a fluorescência, agite a placa por 5 min a 21 °C e 1800 rpm.

Results

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Visão geral experimental
Os esquemas gerais para os ensaios de Borrelia baseados em contas de repórter único e repórter duplo são mostrados na Figura 1. Para alvos de anticorpos únicos (isto é, IgG ou IgM) gerados contra um determinado antígeno de Borrelia , ambas as classes de anticorpos foram avaliadas independentemente em amostras de soro humano usando um anticorpo anti-isotipo conjugado com PE para notificação. Para o ensaio de repórter duplo com análise simultânea de imunorreatividade IgG e IgM, a detecção de IgG antígeno-específica de Borrelia usou um sistema repórter de Streptavidin (fluorescência azul) anti-humano anti-humano biotinilado IgG + BV421, enquanto retém o repórter conjugado com PE (fluorescência laranja) para detecção de IgM. O fluxo de trabalho do ensaio de repórter duplo é semelhante ao ensaio de repórter único, com exceção de uma incubação adicional de 30 minutos do sistema de detecção com o reagente de detecção de fluorescência de segundo canal BV421-Streptavidin.

figure-results-1
Figura 1: Esquema dos ensaios de Borrelia baseados em contas de repórter único e repórter duplo. (A) O instrumento single-reporter foi usado para desenvolver e validar inicialmente o ensaio baseado em contas que caracterizou IgG ou IgM anti-Borrelia individualmente, ambos usando um rótulo repórter fluorescente de ficoeritritina (PE) que emite sinal nos espectros "laranja". Qualquer antígeno de Borrelia desejado pode ser acoplado às esferas e usado para capturar e quantificar IgG ou IgM presentes em amostras de soro. Dois imunoensaios separados são necessários para avaliar a reatividade de IgG e IgM contra um determinado antígeno. (B) O sistema dual-reporter permitiu a análise simultânea de amostras de soro para anticorpos IgG e IgM contra qualquer antígeno de Borrelia individual no mesmo poço. Essa abordagem usa o mesmo anticorpo de detecção conjugado a PE para atingir IgM anti-Borrelia , mas substitui a detecção de IgG de um sistema baseado em PE para usar um anticorpo de detecção primária biotinilado e estreptavidina marcada com BV421 (um emissor "azul") que precisa de uma etapa adicional de incubação do sistema de detecção de 30 minutos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Precisão intra-ensaio
A análise de correlação de Spearman para três antígenos representativos de Borrelia (Figura 2) demonstrou reprodutibilidade uniforme dos valores de IFM na detecção de anticorpos anti-Borrelia presentes no soro humano.

figure-results-2
Figura 2: Precisão intra-ensaio do ensaio de Borrelia baseado em contas de dois repórteres. A análise de correlação de Spearman mostrou uma alta precisão intra-ensaio do ensaio dual-reporter quando um sistema de detecção de EP foi usado para detectar anticorpos IgM específicos para Borrelia (A) e um sistema de detecção BV421 foi usado para detectar anticorpos IgG específicos para Borrelia (B, C). Um total de 21 amostras de soro foram analisadas em duplicata usando um procedimento semi-automatizado. Em cada gráfico, os sinais de IFM foram plotados uns contra os outros e analisados por regressão linear. Uma curva linear (x=y) mostrada como uma linha tracejada vermelha indica sinais MFI idênticos para sistemas de detecção. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Precisão entre ensaios
Boa reprodutibilidade ensaio-a-ensaio foi observada com o ensaio de duplo repórter. Gráficos de Levey-Jennings (Figura 3) com valores de IFM de uma amostra de controle de qualidade medida ao longo de sete ensaios independentes demonstraram a alta precisão interensaio para todos os antígenos representativos. O coeficiente de variação percentual médio (CV% = desvio padrão/média × 100) dos quatro antígenos representativos de Borrelia foi de 5,3%.

Linearidade de diluição
Como o ensaio original de repórter único e o novo ensaio de repórter duplo empregam plataformas de citometria de fluxo diferentes, comparamos as saídas medianas de fluorescência do mesmo imunoensaio antigênico entre os dois instrumentos de citometria de fluxo (Figura 4). As séries de diluição das amostras forneceram curvas de diluição lineares para avaliação de IgM e IgG, com bom paralelismo de dose-resposta entre os instrumentos ao longo de toda a faixa de diluição avaliada (1:100-1:12.800).

figure-results-3
Figura 3: Precisão entre ensaios do ensaio de Borrelia baseado em contas de dois repórteres. Para a avaliação da precisão interensaios, a resposta de anticorpos IgM (A) e IgG (B-D) específicos para Borrelia de uma amostra controle de qualidade foi analisada ao longo de sete ensaios independentes, em poços duplicados de cada vez. Os ensaios foram realizados manualmente. Os valores de IFM foram plotados em um gráfico de Levey-Jennings. Uma linha verde fornece a média de todos os valores. Duas linhas tracejadas vermelhas indicam a faixa de tolerância da precisão entre ensaios. Este foi calculado a partir da média ± 2,5 vezes o desvio padrão (2,5 d.p.). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 4: Linearidade de diluição do ensaio de Borrelia baseado em contas de dois repórteres. Nas diluições das amostras de 100 a 12.800 vezes, as curvas de diluição para detecção de IgM (A) e detecção de IgG (B) foram semelhantes quando realizadas manualmente com o instrumento de repórter único e o instrumento de repórter duplo. Em todas as diluições testadas, os valores de IFM foram ligeiramente maiores usando o instrumento de repórter único (símbolos vermelhos) do que o instrumento de repórter duplo (símbolos azuis). São apresentadas curvas de diluição para 2 antígenos representativos, com cada ponto de diluição representando a medida média dos poços triplicados com desvio padrão (DP*) indicado por barras de erro. Nota: Os pequenos DS não são visíveis nesta escala. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Materiais Suplementares. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

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Este relato destaca o desenvolvimento de um imunoensaio de Borrelia baseado em contas de dois repórteres que determina de forma reprodutível e sensível a imunorreatividade anti-Borrelia em amostras de soro12. As várias espécies patogênicas de Borrelia causadoras da borreliose de Lyme podem ser diferenciadas pela heterogeneidade antígeno-variante-específica 6,7,8,9. O ensaio multiplexado avalia simultaneamente a imunorreatividade anti-Borrelia mediada por IgG e IgM dentro da mesma reação, conservando assim reagentes, trabalho de parto e material de amostra de outra forma necessário para realizar dois ensaios singleplex separadamente. A comparação das respostas de IgM e IgG ao longo do tempo pode permitir um melhor acompanhamento da progressão da doença, uma vez que a soroconversão de IgM para IgG ocorre após a infecção6.

O sistema dual-reporter utiliza dois sistemas de anticorpos de detecção diferentes13,15. Experimentos relacionados não demonstraram reatividade cruzada detectável significativa entre os sistemas de detecção de Borrelia anti-IgM e anti-IgG quando ambas as classes de anticorpos foram analisadas juntas no mesmo poço de reação12. Considerando a menor afinidade de ligação dos anticorpos IgM versus IgG16,17, escolhemos um anticorpo de detecção conjugado com PE para detecção de IgM (o primeiro canal repórter do instrumento dual-reporter) porque o EP é um dos fluoróforos emissores mais fortes rotineiramente utilizados em imunoensaios18. Para a avaliação de IgG, utilizou-se um anticorpo de detecção biotinilado que foi posteriormente iluminado com estreptavidina conjugada com BV421 (o segundo canal repórter do instrumento)19. Apesar da etapa adicional de incubação de 30 minutos em comparação com o sistema de repórter único, o sistema de repórter duplo produz o dobro de informações por reação. No geral, o ensaio multiplexado de repórter duplo requer menos tempo cumulativo e entradas de material do que a execução de dois ensaios de repórter único.

O forte desempenho e estabilidade do ensaio multiplexado de Borrelia foram exemplificados pela alta reprodutibilidade em estudos de precisão intra e interensaios, e pela demonstração de linearidade de diluição e paralelismo de diluição em uma ampla faixa de concentrações de amostra para avaliação de IgG e IgM. Observamos maiores níveis de emissão absoluta de fluorescência para os mesmos fluoróforos usando o instrumento de canal único versus o sistema de canal duplo (≈1,7× maiores com PE), atribuíveis a diferenças nas configurações ópticas e de calibração entre os dois instrumentos (Figura 4). No entanto, as curvas de emissão de fluorescência com ambos os fluoróforos permaneceram dentro da faixa linear de ambos os instrumentos nos extremos de diluição de amostra alta e baixa, e qualquer discrepância na fluorescência absoluta medida não afetou a classificação do status de exposição à Borrelia . 12º

Uma grande vantagem deste ensaio multiplex de Borrelia baseado em esferas é a facilidade com que o ensaio pode ser modificado ou expandido para avaliar analitos diferentes ou adicionais, por exemplo, para detectar anticorpos contra antígenos de outras espécies de Borrelia . Os conjuntos de esferas magnéticas xMAP contêm diferentes combinações de corantes que podem ser distinguidas no Canal de Classificação do instrumento e podem teoricamente ser implementadas em ensaios multiplex que podem avaliar simultaneamente até 500 analitos únicos dentro da mesma amostra. Enquanto o estudo actual destaca quatro antígenos representativos de Borrelia para demonstrar a funcionalidade e a estabilidade do ensaio e para comparar o sistema do relatador único e duplo, o ensaio final interroga oito antígenos que juntos podem identificar todos os cinco patógenos da Borrelia clinicamente relevantes que circulam em toda a Europa e América do Norte12.

O desempenho de alto rendimento é possível usando placas de microtitulação padrão de 384 poços em um formato de ensaio semi-automatizado. A compatibilidade do ensaio e do instrumento com placas de 96 e 384 poços permite que o ensaio multiplex de Borrelia seja usado como uma ferramenta de triagem eficiente para analisar rapidamente grandes conjuntos de amostras, como estudos nacionais20. O desempenho manual do ensaio permanece possível para conjuntos de amostras menores usando placas menores de 96 poços.

As limitações do estudo incluem a avaliação comparativa de apenas alguns alvos de imunorreatividade à Borrelia em um pequeno número de amostras de soro humano. No entanto, o estudo original confirmou que o desempenho do ensaio para IgG e IgM foi mantido ao analisar oito antígenos de todas as cinco espécies conhecidas de Borrelia dentro de um conjunto de amostras maior12. Além disso, o instrumento dual-reporter só pode avaliar dois isotipos de anticorpos simultaneamente dentro de cada reação, de modo que o perfil completo do isotipo exigiria a realização de reações de ensaio adicionais13.

Em conclusão, este relatório detalha a fusão e conversão bem-sucedidas de imunoensaios baseados em contas em ensaios de repórter duplo que podem avaliar simultaneamente anticorpos IgG e IgM patogênicos específicos para Borrelia em amostras de soro humano. Essa abordagem combinada economiza tempo total, material e mão de obra para gerar o mesmo volume de dados que dois ensaios independentes de um único repórter. O ensaio multiplex pode ser dimensionado do formato de placa de microtitulação de 96 poços a 384 poços e pode ser semi-automatizado pelo uso de placa robótica e instrumentação de manuseio de líquidos, tornando-o adequado para aplicações de alto rendimento, como grandes pesquisas populacionais. Sistemas de ensaio dual-reporter baseados em contas já demonstraram utilidade em avaliar, por exemplo, respostas imunes a outros patógenos virais e bacterianos13,21, avaliar respostas de anticorpos alogênicos contra epítopos HLA em transplante de órgãos22 e explorar mecanismos de doença autoimune23. O presente relatório detalhou o uso da tecnologia multiplex para identificar a exposição aos patógenos da Borrelia que causam a doença de Lyme, como um exemplo de como os laboratórios podem adaptar essa abordagem para explorar mecanismos imunológicos complexos em diversas patologias.

Disclosures

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Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgements

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Este relatório foi financiado pela Luminex (Austin, TX). Os autores agradecem a Matthew Silverman PhD (Biomedical Publishing Solutions, Cidade do Panamá, FL; mattsilver@yahoo.com) pela assistência analítica e de edição científica. Os autores também agradecem a Harald Klein e Christoph von Eichel-Streiber da tgcBIOMICS GmbH (Bingen, Alemanha) por fornecerem os antígenos de Borrelia usados no estudo. Amostras de soro humano para validação técnica de ensaio e controle de qualidade foram obtidas de: 1) o Estudo de Prevalência Multilocal e Seriado sobre Anticorpos contra SARS-CoV-2 na Alemanha através do Departamento de Epidemiologia, Centro Helmholtz de Pesquisa de Infecção, Braunschweig, Alemanha; e 2)Departamento de Neurologia, Sächsisches Krankenhaus Rodewisch (Rodewisch, Alemanha). A aprovação para o uso de amostras humanas foi concedida pelo Comitê de Ética da Faculdade de Medicina de Hannover, Alemanha (9086_BO_S_2020).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Anticorpos e Reagentes de DetecçãoSourceNúmero de Catálogo
Biotinilated Goat Anti-Human IgGJackson ImmunoResearch (Dianova)109-066-098 
Violeta Brilhante 421-StreptavidinBD Biosciences563259
Burro Anti-Human IgM Jackson ImmunoResearch (Dianova)709-116-073
Borrelia AntigenstgcBIOMICS (Bingen, Alemanha)
Reagentes de Acoplamento
1-Etil-3-[3-dimetilaminopropil]cloridrato de carbodiimida (EDC)Thermo Scientific Pierce77149 ProteoChem (100 mg)
10x PBSFisher ScientificBP399-4
BSACarl RothT844.3
MES (ácido 2-etanossulfônico; tampão zwitteriônico)Carl Roth4256.2
Na2HPO4Carl Roth4984.1
ProClin300Sigma48914-U
Sulfo-NHS (N-hidroxisulfosuccinimida)Thermo Scientific Pierce24510 (500 mg)
Triton X-100Thermo Scientific85111
Instrumentação e Suprimentos de Laboratório AuxiliaresSource
Placa de 384 poçosCorning, Cat# 3570
Placas de 96 poços profundosThermoFisher Scientific, Cat# 95040450
Placas de meia área de 96 poços Corning, Cat# 3690
BioTek 405 TS Arruela de PlacasBioTek Instruments/Agilent Technologies, Santa Clara, CA 
Lavadora de Placas BioTek MultiFlo FXBioTek Instruments/Agilent Technologies, Santa Clara, CA 
Ímã de Spin DynaMag (para isolar esferas em tubos de microcentrífuga)ThermoFisher, Cat# 12320D
Flexmap 3D (instrumento de dois canais, reportador único)Luminex Corp., Austin, TX
Processador de Partículas Magnéticas KingFisher (para isolar esferas em placas de 96 poços) ThermoFisher, Cat# A31508
MagPlex Microspheres (magnético, fluorescente, 6.5-µ grânulos de diâmetro m)Luminex Corp., Austin, TX
SmartBlock PlatesEppendorf, Cat# 5363000039
ThermoMixer CEppendorf, Cat# 5382000015
ThermoTopEppendorf, Cat# 5308000003
xMAP Intelliflex (instrumento de três canais, repórter duplo)Luminex Corp., Austin, TX

References

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  1. Stanek, G., Strle, F. Lyme borreliosis-from tick bite to diagnosis and treatment. FEMS Microbiology Reviews. 42 (3), 233-258 (2018).
  2. Stanek, G., Wormser, G. P., Gray, J., Strle, F. Lyme borreliosis. The Lancet. 379 (9814), 461-473 (2012).
  3. Rizzoli, A., et al. Lyme borreliosis in Europe. Eurosurveillance. 16 (27), 19906(2011).
  4. Cook, M. J. Lyme borreliosis: a review of data on transmission time after tick attachment. International Journal of General Medicine. 8, 1-8 (2015).
  5. Strle, F., Stanek, G. Clinical Manifestations and Diagnosis of Lyme Borreliosis. Lyme Borreliosis: Biological and Clinical Aspects. Lipsker, D., Jaulhac, B. , Karger. 51-110 (2009).
  6. Wilske, B., Fingerle, V., Schulte-Spechtel, U. Microbiological and serological diagnosis of Lyme borreliosis. FEMS Immunology and Medical Microbiology. 49 (1), 13-21 (2007).
  7. Dessau, R. B., et al. To test or not to test? Laboratory support for the diagnosis of Lyme borreliosis: a position paper of ESGBOR, the ESCMID study group for Lyme borreliosis. Clinical Microbiology and Infection. 24 (2), 118-124 (2018).
  8. Eldin, C., et al. Review of European and American guidelines for the diagnosis of Lyme borreliosis. Médecine et Maladies Infectieuses. 49 (2), 121-132 (2019).
  9. Lantos, P. M., et al. Clinical Practice Guidelines by the Infectious Diseases Society of America (IDSA), American Academy of Neurology (AAN), and American College of Rheumatology (ACR): 2020 Guidelines for the Prevention, Diagnosis and Treatment of Lyme Disease. Clinical Infectious Diseases. 72 (1), e1-e48 (2021).
  10. Gerritzen, A., Brandt, S. Serodiagnosis of Lyme borreliosis with bead based immunoassays using multiplex technology. Methods. 56 (4), 477-483 (2012).
  11. Embers, M. E., et al. Five-antigen fluorescent bead-based assay for diagnosis of Lyme disease. Clinical Vaccine Immunology. 23 (4), 294-303 (2016).
  12. Häring, J., et al. Borrelia multiplex: a bead-based multiplex assay for the simultaneous detection of Borrelia specific IgG/IgM class antibodies. BMC Infectious Diseases. 22 (1), 859(2022).
  13. Angeloni, S., Cameron, A., Pecora, N. D., Dunbar, S. A rapid, multiplex dual reporter IgG and IgM SARS-CoV-2 neutralization assay for a multiplexed bead-based flow analysis system. Journal of Visualized Experiments. 170, (2021).
  14. Gornyk, D., et al. SARS-CoV-2 Seroprevalence in Germany. Deutsches Ärzteblatt International. 118 (48), 824-831 (2021).
  15. Luminex Corporation. xMAP Cookbook. Angeloni, S., Das, S., De Jager, W., Dunbar, S. , 5th ed, https://info.luminexcorp.com/en-us/research/download-the-xmap-cookbook?utm_referrer=https%3A%2F%2Fwww.luminexcorp.com%2F (2022).
  16. Racine, R., Winslow, G. M. IgM in microbial infections: Taken for granted. Immunology Letters. 125 (2), 79-85 (2009).
  17. Ehrenstein, M. R., Notley, C. A. The importance of natural IgM: scavenger, protector and regulator. Nature Reviews Immunology. 10 (11), 778-786 (2010).
  18. Kovaleski, G., et al. Extraction and purification of phycobiliproteins from algae and their applications. Frontiers in Chemistry. 10, 1065355(2022).
  19. Chattopadhyay, P. K., et al. Brilliant violet fluorophores: A new class of ultrabright fluorescent compounds for immunofluorescence experiments. Cytometry Part A. 81 (6), 456-466 (2012).
  20. Coors, A., et al. Regional seropositivity for Borrelia burgdorferi and associated risk factors: findings from the Rhineland Study, Germany. Parasites & Vectors. 15 (1), 241(2022).
  21. Gürsoy, M., et al. Salivary IgA and IgG antibody responses against periodontitis-associated bacteria in Crohn's Disease. International Journal of Molecular Science. 24 (3), 2385(2023).
  22. Argani, H. Anti-HLA Antibody: The role of epitopes in organ transplantation. Experimental and Clinical Transplantation. 17 (Suppl 1), 38-42 (2019).
  23. Laman, J. D., Huizinga, R., Boons, G. J., Jacobs, B. C. Guillain-Barré syndrome: expanding the concept of molecular mimicry. Trends in Immunology. 43 (4), 296-308 (2022).

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Erratum

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Formal Correction: Erratum: Simultaneous Detection of Different Antibody Classes in a Multiplexed Serological Test
Posted by JoVE Editors on 8/16/2023. Citeable Link.

An erratum was issued for: Simultaneous Detection of Different Antibody Classes in a Multiplexed Serological Test. The Authors section was updated to correct an Affiliation. It was updated from:

Julia Häring1
Tanja Michel1
Matthias Becker1
Daniel Junker1
Tatia Tchitchagua2
Olaf Leschnik2
Berit Lange3,4
Stefanie Castell3,4
Gérard Krause3,4
Monika Strengert3
Alex Dulovic1
Nicole Schneiderhan-Marra1
1NMI Natural and Medical Sciences Institute, University of Tübingen
2Department of Neurology, Sächsisches Krankenhaus Rodewisch
3Department of Epidemiology, Helmholtz Centre for Infection Research
4German Centre for Infection Research (DZIF)

to:

Julia Häring1
Tanja Michel1
Matthias Becker1
Daniel Junker1
Tatia Tchitchagua2
Olaf Leschnik2
Berit Lange3,4
Stefanie Castell3,4
Gérard Krause3,4
Monika Strengert3
Alex Dulovic1
Nicole Schneiderhan-Marra1
1NMI Natural and Medical Sciences Institute at the University of Tübingen
2Department of Neurology, Sächsisches Krankenhaus Rodewisch
3Department of Epidemiology, Helmholtz Centre for Infection Research
4German Centre for Infection Research (DZIF)

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Multiplex ImmunoassayDual Reporter AssayAntibody Class DetectionIgG IgM DetectionBorrelia SpeciesLyme BorreliosisSerological TestImmunoreactivity AssessmentHuman Serum SamplesInfectious Disease Monitoring

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