Abstract
La diagnosi precoce è la chiave per il successo del trattamento della maggior parte delle malattie, ed è particolarmente importante per la diagnosi e il trattamento di molti tipi di cancro. Le tecniche più comuni utilizzate sono Imaging modalità, come la risonanza magnetica (MRI), tomografia ad emissione di Topografia (PET), e computerizzata Topografia (CT) e sono ottimali per la comprensione della struttura fisica della malattia, ma possono essere eseguite solo una volta ogni quattro sei settimane a causa dell'uso di agenti di imaging e costo complessivo. Con questo in mente, lo sviluppo di "point of care" tecniche, come biosensori, che valutano lo stadio della malattia e / o l'efficacia del trattamento in studio del medico e lo fanno in modo tempestivo, avrebbe rivoluzionato protocolli di trattamento. 1 come un mezzo per esplorare biosensori ferrocene base per la rilevazione di molecole biologicamente rilevanti 2, sono stati sviluppati metodi per produrre bio-coniugati ferrocene-biotina qui descritti. Questa relazione si concentrerà su un sistema biotina-ferrocene-cisteina che può essere immobilizzato su una superficie d'oro.
Introduction
I biosensori sono piccoli dispositivi che utilizzano la tecnologia di riconoscimento biomolecolare come piattaforma per l'analisi selettiva e vengono utilizzati per la loro specificità, velocità e basso costo. Biosensori elettrochimici per la rilevazione di biomolecole sono all'avanguardia di questo campo per la loro semplicità, economicità, ed alta sensibilità. 1,3 L'anatomia generale di tali sensori è un elettrodo dotato di una molecola di riconoscimento specifico per il marcatore biologica di interesse . Il legame del biomarker dalla molecola di riconoscimento si traduce in una variazione locale del potenziale o corrente che può essere rilevato mediante misurazione semplice. Ad oggi la frazione riconoscimento può variare da enzimi, anticorpi 4-8, 9-12 cellule intere, recettori 13-16, 17-20 peptidi 21-23 e DNA 24 e sono in gran parte incentrati su grandi, molecole biologiche. 25-28 Research sforzi in questo campo si sono concentrati principalmente sulla immunosensori WHEre una immunoglobulina è immobilizzato con un nucleo attivo redox (come ferrocene) e utilizzato per rilevare un anticorpo di interesse. Questi studi sono stati esclusi dalle applicazioni cliniche a causa di una scarsa precisione e consumo di tempo derivanti dalle complicazioni derivanti dall'uso di antigene / anticorpi. 1,3 crescente attenzione si è concentrata sulla rilevazione di piccole molecole (meno di 1 kg / mol) di biomedica , cibo e interesse ambientale, oltre alla sicurezza nazionale. 29 Gli esempi più noti di dispositivi di biosensori sono monitor glucosio auto-test, che hanno serigrafate elettrodi enzimi accoppiati ad un formato tascabile metri amperometrico. Questi sistemi tipicamente utilizzano un metodo coulometrico cui la quantità totale di carica generata dalla reazione di ossidazione del glucosio è misurata su un periodo di tempo. Dispositivi negoziabili devono essere portatile, robusto e tenuto in mano per fare uso facile per la popolazione in generale.
Tags Redox quali ferrocene sono necessary di fornire il rilevamento elettrochimico di biomarcatori o piccole molecole in soluzione, come la maggior parte dei biomarcatori non sono intrinsecamente elettrochimicamente attivi. 30-38 Ferrocene è una molecola organometallica che è un gold standard per l'elettrochimica, che lo rende una scelta eccellente per l'integrazione in biosensori elettrochimici. Redox basata ferrocene-specie attive hanno già raccolto una notevole attenzione a causa delle loro piccole dimensioni, buona stabilità, l'accesso sintetico comodo, facile modificazione chimica, relativa lipofilia, e la facilità di messa a punto redox. 3,30-42 Piccole molecole basate sul core ferrocene hanno stati ampiamente utilizzati come rivelatori di ioni metallici e piccole molecole. 32-38,43 sistemi di targeting specie più grandi come biomolecole hanno utilizzato l'allegato di grandi anticorpi o immunoglobuline di derivati del ferrocene che sono stati integrati su una superficie elettrochimica. 1,3,39 , 44 In ogni caso, il potenziale di intensi e correntety della coppia redox Fe III / Fe II è stato modificato su accoppiamento molecolare, producendo così una nuova maniglia spettroscopica che indica la presenza della molecola analita. Tale variazione è determinata dalla vasta sovrapposizione che si verifica tra il pi-sistema degli anelli ciclopentadienilici ed il ferro orbitali-d. Se il pi-sistema viene modificato, cioè, derivatizzato o reagito, allora l'interazione orbitale, a sua volta, il cambiamento. Questo influenzerà il nucleo Fe e può essere osservata come un cambiamento nel potenziale della coppia Fe III / Fe II. 40,45,46 Queste proprietà rendono tale sistema attraente per l'uso come agente quantificare in un immunodosaggio elettrochimica o biosensore.
Per produrre sistemi ferrocene contenente specifici per portate biosensore è ottimale modificare un anello Cp con il bio-recettore specifico per una molecola bersaglio e utilizzare l'altro anello Cp come tether molecolare per la lettura elettrochimica o elettrode (Figura 1). Sintesi di questi derivati asimmetrici ferrocene è sfidato da reazioni laterali e la formazione di specie dimerica e polimeriche formate su intermolecular cross-linking. 47 Tuttavia, giunto chimica producendo un legame ammidico è la via più diretta per fornire semplici derivati del ferrocene che coinvolgono componenti biologiche tali come peptidi e loro metaboliti. Pertanto, le tecniche in fase solida prima sviluppate nel 1950 da Merrifield per sintesi peptidica possono essere applicati a composti organometallici contenenti ferrocene. Attraverso l'uso del ortogonalmente sostituito molecola di acido 1'-Fmoc-ammino-ferrocene-1-carbossilico, un sistema ferrocene che può contenere una molecola recettore (biotina), lettura elettrochimica (ferrocene), e componente immobilizzare-linker (cisteina) presenta stato costruito e qui descritto. La sintesi di questo bio-coniugato è discusso così come prova per l'immobilizzazione su una superficie d'oro. Questo rappre lavorots la prima presentazione di un sistema composto da biotina, ferrocene ed un amminoacido per l'immobilizzazione su una superficie d'oro.
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Protocol
1. Sintesi di biotina-Fc-cisteina (1)
- Metodi in fase solida per la produzione di resina-legato 1.
- Inserire biotina resina caricata (250 mg, 0,145 mmol) in una siringa sinterizzato e gonfiare la resina elaborando dimetilformammide (5 ml) e agitando la siringa su un agitatore di laboratorio per 20 min. Espellere la soluzione e ripetere dimetilformammide gonfiore ancora una volta.
- Rimuovere il gruppo protettore Fmoc aggiungendo 4-6 ml di 20% piperidina in dimetilformammide alla siringa seguita da 10-15 minuti di agitazione. Ripetere il processo deprotezione con un altro 4-6 ml di piperidina. Lavare la resina con una sequenza di 3x dimetilformammide, 3x dimetilformammide: metanolo (1: 1), metanolo 3x: diclorometano (1: 1), 3x diclorometano, ~ 5 ml. Fare un test alla ninidrina (+) su un piccolo campione (~ 10) delle perle di confermare deprotezione successo dalla presenza di blu dopo riscaldamento.
- Mescolare una soluzione contenente acido 1'-Fmoc-ammino-ferrocene-1-carbossilico(203,3 mg, 0,4350 mmoli), 1-idrossibenzotriazolo idrato (58,8 mg, 0,413 mmoli), diisopropil carbodiimide (0,0673 ml, 0,435 mmoli), diisopropil etil ammina (0,0757 ml, 0,435 mmoli), e una miscela 4: 1 di diclorometano e dimetilformammide. Disegna questo nella siringa sinterizzato e scuotere delicatamente su un agitatore di laboratorio per 6 ore. Poi espellere la soluzione dalla siringa e lavare come descritto in precedenza.
- Eseguire il test alla ninidrina (-) come descritto sopra per confermare accoppiamento. Il test ninidrina può ancora essere utile nel confermare accoppiamento nonostante il colore arancio del tallone derivato dal fissaggio del ferro contenente frazione.
- Quindi rimuovere il gruppo Fmoc mediante l'aggiunta di 20% piperidina in dimetilformammide e lavati come descritto sopra. Il test ninidrina (+) deve essere utilizzato per confermare la rimozione Fmoc.
- Preparare una soluzione composta di Fmoc-Cys (Trt) -OH (254,8 mg, 0,4350 mmol), 1-idrossibenzotriazolo idrato (58,8 mg, 0,4125 mmol), diisopropil carbodiimide (0,0673 ml, 0,4350mmol), diisopropil etil ammina (0,0757 ml, 0,4350 mmoli), e una miscela 4: 1 di diclorometano e dimetilformammide. Aggiungi questo cocktail accoppiamento cisteina siringa sinterizzato e scuotere delicatamente per 6 ore. Lavare utilizzando il protocollo descritto in precedenza.
- Conferma accoppiamento utilizzando il test alla ninidrina (-), seguita dalla rimozione del componente Fmoc con il 20% di piperidina e lavaggio. Verifica terminale libero ammina utilizzando il test alla ninidrina (+).
- Cleavage di 1 dalla resina.
- Fare una soluzione di TFA (9.45 ml), acqua (0,25 ml), 1,2-etanditiolo (0,25 ml), e triisopropyl silano (0,1 ml), aggiungere alla siringa e agitare delicatamente per 4 ore.
- Raccogliere la risultante soluzione rosso-marrone in un tubo Eppendorf e si evapora il TFA lentamente utilizzando una corrente d'aria.
- Aggiungere fredda etere dietilico (~ 15 ml) al tubo Eppendorf precipitare 1, che costituirà agitazione. Isolare il prodotto tramite centrifugazione (1 g, 5 min). Tcicli gallina ripetute di lavaggi etere etilico (~ 60 ml totale) e centrifugare per ottenere 1 come rosso / marrone solido.
2. Caratterizzazione e analisi di 1
- Verificare che l'identità corrisponde la connettività e la composizione mostrata in figura 2 con 1 H (16 scansioni) e 13 C NMR (512 scansioni) in metanolo deuterato (300 microlitri) e analisi ESI-MS.
Aspettatevi i seguenti risultati:
Spettro 1 H NMR (CD 3 OD) δ / ppm: 1,407-1,684 (m, 6H), 2.245 (t, 2H), 2,665-3,150 (m, 12H), 4,015 (t, 1H), 4.104 (d, 2H ), 4.274 (q, 1H), 4.426 (d, 2H), 4.479 (q, 1H), 4.595 (t, 1H) e 13 C NMR spettro (CD 3 OD) δ / ppm: 24,644 (CH 2), 25,472 (CH 2), 28,051 (CH 2), 28.300 (CH 2), 35,474 (CH 2), 38.698 (CH 2), 39,241 (CH 2), 39,717 (CH 2), 55,340 / 55,538 (Cp-ring), 60,286 (CH), 61,964 (CH), 62,521 / 62,821 (Cp-ring), 66,038 / 66,170 (Cp-ring), 69,153 / 69,328 (Cp-ring), 71,468 / 71,593 (Cp-ring), 76,466 (CH), 171,770 (C = O), 175,361 (C = O).
ESI-MS (m / z): Trovato: 639.00 [1 + Na] +, teorica: 639,1 [1 + Na] + e HR-MS (m / z): Trovato: 617,2049 [1 + H] +, teorica: 617.1622 [1 + H] +. - Eseguire HPLC, analisi elementale conferma la composizione isolata 1.
Eseguire i cromatogrammi HPLC utilizzando una colonna a fase inversa C8 100% MeOH ad una velocità di flusso di 0,5 ml / min. Nota: i tempi di ritenzione HPLC sono stati: 3,198-4,674 min.
3. L'immobilizzazione di 1 su una superficie d'oro
- Cut polimero sostenuto scivoli d'oro in quadrati di ~ 0,25 in 2.
- Riempire un bicchiere da 50 ml con una soluzione di acqua deionizzata di 1 (~ 1 mM).
- Aggiungere la diapositiva oro al bicchiere e coprire con un vetro da orologio. Tuttoow il vetrino di incubare O / N a RT senza agitazione.
- Rimuovere il vetrino oro dalla soluzione e lasciare asciugare all'aria.
- Ottenere la scansione di immagini di microscopia elettronica usando un microscopio elettronico a scansione (o equivalente) per osservare immobilizzato 1.
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Representative Results
La forma legata resina 1 è indicata in figura 2. L'attacco covalente del componente ferrocene dà luogo ad una tinta arancione alle perle di resina che è persistente con lavaggio in continuo e indicativa di un ferro immobilizzato contenente complessa rispetto a assorbimento di ferro dal componente PEG del tallone resina. La forma priva di resina 1 è identico a colori per le perle di resina. Dopo la rimozione del composto dalla resina perline, la purezza e resa (68%) che derivano dai metodi è di gran lunga superiore alla metodologia tipica soluzione. Analisi elementare del prodotto ha mostrato che 1 è stato isolato come sale di TFA: Calcolato (Trovato) per C 26 H 36 O 4 FeN 6 S 2 4TFA: C, 38.07 (38,90); H, 3.76 (4.20); N, 7,83 (7,70). La resa risultante (105,1 mg, 68%) da una reazione tipica è basata sui risultati dell'analisi elementare. Analisi NMR in deuterato metanolo provided spettro 1 H NMR (CD 3 OD) δ / ppm: 1,407-1,684 (m, 6H), 2.245 (t, 2H), 2,665-3,150 (m, 12H), 4,015 (t, 1H), 4.104 (d, 2H), 4.274 (q, 1H), 4.426 (d, 2H), 4.479 (q, 1H), 4.595 (t, 1H) e 13 C NMR spettro (CD 3 OD) δ / ppm: 24,644 (CH 2), 25,472 (CH 2), 28,051 (CH 2), 28.300 (CH 2), 35,474 (CH 2), 38.698 (CH 2), 39,241 (CH 2), 39,717 (CH 2), 55,340 / 55,538 (Cp-ring) , 60,286 (CH), 61,964 (CH), 62,521 / 62,821 (Cp-ring), 66,038 / 66,170 (Cp-ring), 69,153 / 69,328 (Cp-ring), 71,468 / 71,593 (Cp-ring), 76,466 (CH ), 171,770 (C = O), 175,361 (C = O). Tempi di ritenzione HPLC sono stati: 3,198-4,674 min. Le molteplici picchi osservati in analisi HPLC sono stati confermati come sali di TFA 1 come descritto sopra utilizzando analisi elementare. La spettrometria di massa correlato alla struttura mostrata nella Figura 2: ESI-MS (m / z): Trovato: 639,00 [1 + Na] +,Teorica: 639,1 [1 + Na] + e HR-MS (m / z): Trovato: 617,2049 [1 + H] +, teorica: 617,1622 [1 + H] +. Spettri di assorbimento elettronica sono stati ottenuti in acqua e hanno mostrato λ max (ε, M -1 cm -1) 268 (4,779.8), 434 (324,26).
I metodi utilizzati per incubare un piccolo scivolo oro in una soluzione di Bioconjugate 1 sono rappresentati nel disegno schematico in figura 3. Uno strato sottile di oro indietro con materiale polimerico è stato aggiunto ad una soluzione di 1 e lasciata incubare O / N. La slitta oro è stato quindi lavato con acqua deionizzata e lasciato asciugare. Contemporaneamente, una diapositiva oro è stato co-incubate in acqua deionizzata e lavato nello stesso modo. Immagini SEM dei due campioni, mostrati in figura 4, hanno mostrato che la superficie di oro slitta co-incubate con 1 è stata modificata. Ciò indica che ilinterazioni tiolici di 1 forniscono un'ancora di attacco alla superficie d'oro.
Figura 1. basi di un biosensore. Un esempio specifico di un biosensore elettrochimico per rilevare direttamente un bersaglio in soluzione.
Figura 2. I metodi di sintesi utilizzati per produrre 1. I metodi utilizzati per incubare un piccolo scivolo oro in una soluzione di Bioconjugate 1 sono rappresentati nel disegno schematico in figura 3. Uno strato sottile di oro indietro con materiale polimerico è stato aggiunto ad una soluzione di 1 e lasciato incubare O / N. La slitta oro è stato quindi lavato con acqua deionizzata e lasciato asciugare. Contemporaneamente, una diapositiva oro è stato co-incubate in acqua deionizzata e lavato nello stesso modo. Immagini SEM dei due campioni, Mostrato in figura 4, ha mostrato che la superficie di oro slitta co-incubate con 1 è stata modificata. Ciò indica che le interazioni tiolici di 1 forniscono un'ancora di attacco alla superficie d'oro.
Figura 3. Schema rappresenta l'immobilizzazione di 1 su un vetrino oro. Il processo prevede la dissoluzione Bioconjugate in acqua e aggiungendo la diapositiva oro. Incubazione O / N è seguita dal lavaggio della slitta. Analisi per l'immobilizzazione successo viene effettuata utilizzando la microscopia elettronica a scansione mostrato in Figura 4.
Figura 4. Le immagini SEM di oro stratificato su un film plastico-polimero. (A) sans incubazione 1 e (B) following incubazione con 1 in acqua O / N e risciacquo con acqua.
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Discussion
La sintesi di derivati asimmetrici ferrocene è impegnativo in soluzione. Ad esempio, i tentativi di produrre 1 in soluzione comportato basse rese di prodotto desiderato (meno del 20%). Analogamente, utilizzando reazioni 1'-ammino-ferrocene acido carbossilico (sans Fmoc) e resina biotina legata determinato prodotto insolubile coerente con il prodotto polimerizzato riportato da Baristic et al. e prodotto minima. 47 Questo è ulteriormente complicato dal ferrocene e suoi derivati essendo sensibile alla luce e che i congeneri amminoacidi sono inclini a dimerize in soluzione. Questi problemi rendono ampie reazioni e workups impegnativo. Tuttavia tale reattività può essere aggirato utilizzando metodi in fase solida prima sviluppati da Merrifield per la sintesi di peptidi. La sintesi di sistemi ferrocene-peptide ha raccolto l'attenzione da diversi gruppi e ha portato a una libreria di sistemi di peptide-ferrocene asimmetrici. 46,48-52 Il lavoroqui descritta in dettaglio la sintesi dei primi ferrocene asimmetrica bio-coniugati contenenti biotina-ferrocene-cisteina. Questo composto serve da modello attraverso cui altre piccole molecole recettori potrebbero essere considerati per il rilevamento di molecole biologicamente rilevanti. In questo lavoro è stato utilizzato come un tether immobilizzazione di una superficie d'oro.
La prima fase della sintesi era quello di ottenere un nucleo biotina immobilizzato su una resina a stato solido mediante un linker base ammina-. Resina -Fmoc-etilendiammina Il N -Biotin- N 'può essere acquistato in commercio come biotina NovaTag resina ed è stato usato come base di bio-coniugato 1. Il gruppo protettore Fmoc-ammino stato rimosso usando una soluzione al 20% di piperidina in dimetilformammide e positivo (blu) ninidrina test ha confermato deprotezione successo. L'ammina libera della biotina resina legata è stato poi utilizzato per ancorare ferrocene usando un cocktail di accoppiamento composto diisopropil etil ammina,diisopropil carbodiimmide, e 1-idrossibenzotriazolo idrato. 40,46 Una varietà di precursori ferrocene sono disponibili per tali scopi e comprendono acido carbossilico e acido carbossilico ferrocene 1'-Fmoc-ammino-ferrocene. L'uso degli ex rese sistema mono sostituito bio-coniugati aventi solo uno degli anelli ciclopentadienilici modificati con un'appendice biotina. Quest'ultimo derivato ferrocene comprende la sostituzione ortogonale degli anelli ciclopentadienilici con un acido carbossilico ed un gruppo ammino Fmoc-protetto. Questa sostituzione consente estesa modifica asimmetrica del nucleo ferrocene introduzione di modifiche separata degli anelli ciclopentadienilici per produrre bio-coniugati quali 1. Le perle giallo chiaro cambiato in un arancio brillante tonalità upon accoppiamento positivo del ferrocene al nucleo biotina-resina, come mostrato in Figura 2.
Nella successiva fase di sintesi di una varietà linker potrebbe essere collegatoper l'ammina libera del ferrocene congenere resina-bound. Ai fini di questo sistema, è stato utilizzato come cisteina è un amminoacido contenente tiolato. Il componente tiolato permette il fissaggio del bio-coniugato ad una superficie d'oro, come discusso di seguito. Modifica con cisteina proceduto per reazione del sistema destinato resina con Fmoc-Cys (MMT) -OH. La rimozione del gruppo Fmoc con il 20% di piperidina in dimetilformammide produce le forme di resina vincolato 1. La bio-coniugato resina-legato è stato rimosso dal supporto solido per scissione dei sistemi bio-organometallico utilizzando una soluzione di acido trifluoroacetico (TFA), acqua e triisopropyl silano. L'evaporazione della soluzione di acido e l'aggiunta di etere etilico freddo prodotto bio-coniugato 1 come solido determinato essere il sale rosso-arancio di TFA 1 come confermato dalla analisi elementare e NMR. Purezza è stata confermata mediante analisi HPLC.
Per mostrare prova di principio per lacomponente cisteina fornendo una pastoia allegato per bio-coniugato 1, deposizione di 1 su una superficie d'oro è stato esplorato. Il noto affinità Au-S consente l'immobilizzazione facile di 1 su una superficie d'oro polimerica backed. In questo esperimento, la superficie di oro è stato pulito e lucidato delicatamente. La slitta è stato poi immerso in una soluzione di acqua ~ 1 mm 1 e ha permesso di impostare O / N. La superficie Au è stato poi lavato con acqua distillata ed essiccato con un Kimwipe. I vetrini d'oro sono stati poi valutati per la modifica utilizzando SEM. Le immagini mostrate in Figura 4 sono rappresentative di un monostrato di 1 aver formato sulla superficie d'oro. Le imperfezioni della superficie sono postulato ad essere il risultato di 'buchi' nel monostrato di 1 e sono sotto approfondimento dal nostro gruppo.
, I metodi di sintesi complessiva di produrre bioconiugati ferrocene che possonoessere immobilizzato su una superficie d'oro sono riportati. Il lavoro è il romanzo in quella sintesi di composti ferrocene asimmetrici è sfidato da una serie di reazioni collaterali che portano a rendimenti bassi e la purezza. Come ferrocene-bioconiugati simili a 1 hanno applicazioni come potenziali biosensori, superare queste difficoltà di sintesi è fondamentale. Usando i metodi in fase solida simili alla sintesi peptidica in fase solida, un Bioconjugate ben caratterizzato 1 contenente biotina-ferrocene-cisteina è stato prodotto. Inoltre, SEM è stato usato per dimostrare che questo sistema è in grado di aderire ad una superficie d'oro grazie alla frazione tiolato del componente cisteina. Nel complesso, La semplice metodologia sintetica fornite nel presente documento può essere facilmente modificato per sequenze peptidiche e sistemi bio-coniugato per una vasta gamma di applicazioni.
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Acknowledgments
KG è stato sostenuto dalla concessione P-1760 RA Welch Foundation, TCU Andrews Istituto di Matematica e Scienze della formazione (per KG), TCU ricerca e creatività Activity Grant (al KG) e TCU SERC Grant (a JHS).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Biotin Novatag Resin | NovaBiochem | 8550510001 | |
| TORVIQ 10 ml Luer Lock Fritted Syringe | Fisher | NC9299151 | |
| piperidine | Acros | P/3520/PB05 | |
| ninhydrin test | Sigma-Aldrich | 60017-1ea | |
| 1’-Fmoc-amino-ferrocene-1-carboxylic acid | Omm Scientific | Special Order | |
| N,N′-Diisopropylcarbodiimide | Sigma-Aldrich | D125407-5G | |
| Fmoc-Cys(Trt)-OH | Novabiochem | 8520080025 | |
| trifluoroacetic acid | Sigma-Aldrich | T5408 | |
| 1,2-ethanedithiol | Sigma-Aldrich | 2930 | |
| triisopropyl silane | Sigma-Aldrich | 233781 | |
| Eppendorf tubes (20 ml) | any source | ||
| methanol | any source | dry with molecular sieves prior to use & store in 100 ml media bottle for easy usage | |
| dichloromethane | any source | dry with molecular sieves prior to use & store in 100 ml media bottle for easy usage | |
| dimethylformamide | any source | dry with molecular sieves prior to use & store in 100 ml media bottle for easy usage | |
| centrifuge | any source |
References
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