DE102008013997B4 - Method for the quantitative detection of analytes in liquid medium - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum quantitativen Nachweis eines Analyten in flüssigem Medium durch Zusatz von Sonden, die aus mit dem Analyten bindungsfähigen Nachweismolekülen und die Nachweismoleküle markierenden dauermagnetischen oder magnetisierbaren Nanoteilchen bestehen, wobei der Nachweis über ein Messverfahren erfolgt, dessen magnetische Messgröße den Mittelwert der volumengewichteten Größenverteilung der Aggregate und/oder der Streuung der Größenverteilung der Aggregate abbildet, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer flüssigen Probe, die den Analyten enthält, b) Zusatz der Sonde in wenigstens einer Konzentrationsreihe, wobei entweder die relative Konzentration des Analyten oder die Konzentration der Sonde variiert wird, c) Ermittlung des Mittelwerts der volumengewichteten Größenverteilung der Aggregate und/oder der Streuung der Größenverteilung der Aggregate als Maß für die Agglutination für die unter b) hergestellte Konzentrationsreihe durch d) Ermittelung des Extremwerts der über die Konzentrationsverhältnisse der Konzentrationsreihe aufgetragenen magnetischen Messgröße und e) Berechnung der Analytkonzentration aus der Lage des Extremwerts der magnetischen Messgröße durch Abgleich mit...Method for the quantitative detection of an analyte in a liquid medium by adding probes which consist of detection molecules which are capable of binding to the analyte and the permanent magnetic or magnetizable nanoparticles which mark the detection molecules, the detection being carried out by means of a measurement method, the magnetic measurement of which is the mean of the volume-weighted size distribution of the aggregates and / or the scattering of the size distribution of the aggregates, with the following steps: a) providing a liquid sample which contains the analyte, b) adding the probe in at least one concentration series, wherein either the relative concentration of the analyte or the concentration of the probe is varied , c) Determination of the mean of the volume-weighted size distribution of the aggregates and / or the scatter of the size distribution of the aggregates as a measure of the agglutination for the concentration series produced under b) by d) determination of the extreme value of the magnetic measurand plotted over the concentration ratios of the concentration series and e) calculation of the analyte concentration from the position of the extreme value of the magnetic measurand by comparison with ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum quantitativen Nachweis von Analyten in flüssigem Medium, bei welchem der Analyt mit Hilfe von Sonden detektiert wird, die aus für den Analyten spezifischen Nachweismolekülen und an die Nachweismoleküle gebundenen markierenden dauermagnetischen oder magnetisierbaren Nanoteilchen bestehen.The invention relates to a method for the quantitative detection of analytes in a liquid medium, in which the analyte is detected by means of probes which consist of detection molecules specific for the analyte and marking permanent magnetic or magnetizable nanoparticles bound to the detection molecules.
Die grundlegende Wirkungsweise eines solchen Nachweises besteht in der spezifischen Bindung zwischen dem zu quantifizierenden Molekül (dem Analyten) und einem so genannten Nachweismolekül (auch Nachweisreagens oder Detektionsmolekül bzw. Detektionsreagens). Über die angekoppelten Markierungsteilchen sollen die Reaktionsprodukte zwischen Analyten und Nachweismolekül dann erkannt und quantitativ bestimmt werden.The basic mode of action of such a detection consists in the specific binding between the molecule to be quantified (the analyte) and a so-called detection molecule (also detection reagent or detection molecule or detection reagent). Via the coupled marking particles, the reaction products between analyte and detection molecule should then be recognized and quantified.
Derartige Nachweisverfahren sind unter anderem zum Nachweis von Biomolekülen, wie z. B. Proteinen, Peptiden, DNS-Abschnitten oder Antigenen, ganzen oder Teilen von Viren oder Bakterien oder sonstigen körperfremden Makromolekülen, sehr verbreitet. Der schnelle und zuverlässige Nachweis von Biomolekülen ist eine der großen Aufgabenstellungen in der modernen Medizin. Neben der Detektion von Krankheitsindikatoren (Bakterien, bestimmte Erkennungsproteine) ist ein weiteres Anwendungsgebiet für derartige Nachweismethoden, wie der Gattung nach oben beschrieben, das so genannte „therapeutische Drug Monitoring” (TDM), bei dem im Blut Medikamente bzw. die Konzentration von Hormonen oder Enzymen nachgewiesen werden.Such detection methods are inter alia for the detection of biomolecules, such. As proteins, peptides, DNA segments or antigens, whole or parts of viruses or bacteria or other foreign macromolecules, very common. The fast and reliable detection of biomolecules is one of the major challenges in modern medicine. In addition to the detection of disease indicators (bacteria, certain recognition proteins) is another field of application for such detection methods, as the genus described above, the so-called "therapeutic drug monitoring" (TDM), in the blood drugs or the concentration of hormones or Enzyme can be detected.
Als Detektionsmoleküle für den Nachweis in medizinischen Assays dienen z. B. Antikörper (in Immunoassays) oder Rezeptoren (in Rezeptorassays). Die Detektionsmoleküle werden dabei zur Analytsubstanz hinzugegeben. Um die Detektionsmoleküle nachzuweisen, werden sie vorher markiert und damit molekulare Sonden hergestellt. Die Markierung erfolgt im Stand der Technik z. B. mit einem Fluoreszenzmolekül, einem radioaktiven Atom oder einem Enzym, welches beispielsweise nach Zugabe eines Substrats eine Farbreaktion hervorruft (Enzyme linked Immuno Sorbent Assay (ELISA)).As detection molecules for detection in medical assays serve z. As antibodies (in immunoassays) or receptors (in receptor assays). The detection molecules are thereby added to the analyte substance. In order to detect the detection molecules, they are previously labeled and thus molecular probes are produced. The marking takes place in the prior art z. B. with a fluorescent molecule, a radioactive atom or an enzyme which, for example, after addition of a substrate causes a color reaction (enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)).
Das Prinzip der Immunagglutination und der Immunpräzipitation ist beschrieben in Lottspeich, F.; Zorbas, H. (Hrsg.): Bioanalytik. Heidelberg: Akademischer Verlag GmbH, 1998, S. 75–79, Kapitel 5.3. Darin werden homogene und nicht-homogene Testverfahren erläutert, die mit Sonden aus markierten Nachweismolekülen arbeiten. Der Marker für das Nachweismolekül kann entweder zur Präzipitation führen oder in homogener Probe beispielsweise spektroskopisch nachgewiesen werden. Das mit dem Marker verbundene Nachweismolekül ist ein Antikörper. Das charakteristische Verhalten solcher Systeme bei Sondenüberschuss oder Sondenunterschuss, der sogenannte Prozoneneffekt, zeigt sich in der „Heidelberger Kurve”. Für eine quantitative Auswertung auf dieser Basis ist wesentlich, dass die Äquivalenz von Epi- und Paratop durch die Messgröße korrekt angezeigt wird.The principle of immunoagglutination and immunoprecipitation is described in Lottspeich, F .; Zorbas, H. (ed.): Bioanalytics. Heidelberg: Academic Publisher GmbH, 1998, pp. 75-79, chapter 5.3. It discusses homogeneous and non-homogeneous test procedures using probes from labeled detection molecules. The marker for the detection molecule can either lead to precipitation or be detected in a homogeneous sample, for example spectroscopically. The detection molecule linked to the marker is an antibody. The characteristic behavior of such systems with excess of the probe or probe undershot, the so-called prozone effect, can be seen in the "Heidelberger Kurve". For a quantitative evaluation on this basis, it is essential that the equivalence of epi- and paratop is correctly indicated by the measurand.
Entsprechend der Vielzahl der Anwendungen steht eine breite Palette an Verfahren zur Durchführung von Immunoassays (einschließlich der Rezeptorassays) zur Verfügung. Dabei unterscheidet man so genannte heterogene Immunoassays, bei denen die gebildeten Analyt-Sonden-Komplexe von den ungebundenen Sonden getrennt werden, z. B. durch Immobilisierung auf Trägern oder Zentrifugation und anschließende Wasch- und Spülschritte, von den so genannten homogenen Assays, bei denen das Signal der Sonden durch die Kopplung so verändert wird (Modulation), dass dann die Signale der gebundenen und der ungebundenen Sonden unterschieden werden können. Der Separationsschritt kann bei homogenen Assays entfallen. Hierdurch sind homogene Assays schneller durchzuführen, erfordern weniger labortechnischen und personellen Aufwand und sind zum Teil auch präziser.Depending on the variety of applications, a wide range of immunoassay procedures (including receptor assays) are available. A distinction is made between so-called heterogeneous immunoassays, in which the analyte-probe complexes formed are separated from the unbound probes, z. B. by immobilization on slides or centrifugation and subsequent washing and rinsing steps, of the so-called homogeneous assays in which the signal of the probe is so modified by the coupling (modulation) that then the signals of the bound and the unbound probes are distinguished can. The separation step can be omitted in homogeneous assays. As a result, homogeneous assays are faster to carry out, require less labor and human resources and are sometimes more precise.
Neben den aufwendigen und sicherheitstechnisch umstrittenen Radioimmunoassays nutzen die meisten Immunoassayvarianten optische Signalgeber (Fluoreszenzsonden, d. h. Fluoreszenzassays, [LISA). Werden diese Fluoreszenzassays als homogene Assays in originären Medien konzipiert, können auf vielfältige Weise Untergrundsignaleffekte hervorgerufen werden. So kann z. B. im Serum das Fluoreszenzlicht durch Bindung der Sonden an das allgegenwärtige Albumin signifikant abgeschwächt werden. Demgegenüber sind bei magnetischen Nachweisverfahren an die optischen Eigenschaften des Mediums keine besonderen Anforderungen geknüpft, und das bei den Nachweisverfahren eingesetzte Magnetfeld passiert alle geringmagnetischen oder gering magnetisierbaren Medien nahezu unbeeinflusst. Damit können Messungen im Vollblut oder anderen Körperflüssigkeiten ohne weitere Aufbereitung durchgeführt werden. Insbesondere können diese Nachweisverfahren auch in-vivo verwendet werden.In addition to the complex and safety-related radioimmunoassays, most immunoassay variants use optical signal transmitters (fluorescence probes, ie fluorescence assays, [LISA]). If these fluorescence assays are designed as homogeneous assays in original media, background signal effects can be produced in a variety of ways. So z. For example, in serum the fluorescent light can be significantly attenuated by binding the probes to the ubiquitous albumin. In contrast, no special requirements are attached to the optical properties of the medium in the case of magnetic detection methods, and the magnetic field used in the detection method passes virtually uninfluenced by all magnetically or slightly magnetizable media. Thus, measurements in whole blood or other body fluids can be carried out without further treatment. In particular, these detection methods can also be used in vivo.
Im Magnetischen Relaxations-Immunoassay (MARIA) werden magnetische Nanoteilchen (MNP) als Marker für die Sonden verwendet. Aus der
Aus der
Enpuku,
Bei den oben beschriebenen magnetischen Nachweisverfahren wurden bislang zwei verschiedene Messabläufe realisiert: (1) An eine feste Phase wurden Fangantikörper immobilisiert, an die dann Antigene koppeln konnten, wonach die Probe mit den Sonden inkubiert wurden. (2) Der Analyt liegt in Lösung oder Suspension vor und wird durch die Zugabe einer weiteren bindenden Agens quervernetzt. Die entstandenen Aggregate werden dann durch z. B. Zentrifugation separiert und danach mit den Sonden nachgewiesen. Anhand von Kalibrierkurven lassen sich nun die Analytkonzentrationen von unbekannten Proben ermitteln. Zur Bestimmung der Fraktion der gebundenen Sonden ist eine Referenzprobe (100% immobilisierte Sonden) zu messen, wobei dieselben Bedingungen wie bei der Messung der Probe vorliegen müssen (z. B. gleicher Abstand zwischen Probe und Detektor).In the magnetic detection methods described above, two different measuring sequences have hitherto been implemented: (1) Captive antibodies were immobilized on a solid phase, to which antigens could then be coupled, after which the sample was incubated with the probes. (2) The analyte is in solution or suspension and is cross-linked by the addition of another binding agent. The resulting aggregates are then z. B. centrifugation and then detected with the probes. Using calibration curves, the analyte concentrations of unknown samples can now be determined. To determine the fraction of bound probes, a reference sample (100% immobilized probes) should be measured with the same conditions as for the measurement of the sample (eg equal distance between sample and detector).
Die bisherigen Verfahren benötigen daher erheblichen apparativen und personellen Aufwand für die Probenvorbereitung und -messung.The previous methods therefore require considerable equipment and personnel costs for sample preparation and measurement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, bei dem die Nachteile im Stand der Technik vermieden werden und der Analyt in Lösung oder Suspension ohne Separations- oder Immobilisierungsschritte unmittelbar vermessen und mit hoher Sicherheit quantitativ bestimmt werden kann.The invention has for its object to find a method in which the disadvantages are avoided in the prior art and the analyte can be measured directly in solution or suspension without Separations- or Immobilisierungsschritte and quantified with high reliability.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.The object is achieved by a method according to
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Mittelwert der volumengewichteten Größenverteilung der Aggregate und/oder die Streuung der Größenverteilung der Aggregate einen Extremwert bei einem bestimmten Zahlenverhältnis von Sonden zu Analytmolekülen aufweist. Diese Maximalwerte sind deutlich ausgeprägt und daher analytisch gut auswertbar. Darüber hinaus findet sich auch ein Maximum in der Anzahl der Sonden, die in den Aggregaten organisiert sind und ein Minimum in der Anzahl der freien Sonden. Dies gilt zumindest für multivalente Analyte und Sonden.The invention is based on the finding that the mean value of the volume-weighted size distribution of the aggregates and / or the scattering of the size distribution of the aggregates has an extreme value for a specific ratio of probes to analyte molecules. These maximum values are clearly pronounced and therefore analytically well evaluable. In addition, there is also a maximum in the number of probes organized in the aggregates and a minimum in the number of free probes. This applies at least to multivalent analytes and probes.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es erforderlich, eine Messgröße zu verwenden, die mit beispielsweise der Größenverteilung der Aggregate (siehe oben) streng korreliert. Dies wurde bislang für verschiedene magnetische Messverfahren verifiziert. Konkret ist das magnetische Messverfahren immer dann im Sinne der Erfindung geeignet, wenn die Messgröße von der Brownschen Relaxation in der Trägerflüssigkeit – also hier in dem Medium oder der Matrix der Probe – abhängt, da diese mit dem Volumen (dem hydrodynamischen Volumen) des Messkomplexes, d. h. dem Komplex aus Analyt(en) und Sonde(n) verknüpft ist.For the method according to the invention, it is necessary to use a measured variable which strictly correlates with, for example, the size distribution of the aggregates (see above). This has been verified so far for various magnetic measurement methods. In concrete terms, the magnetic measuring method is always suitable for the purposes of the invention if the measured variable depends on the Brownian relaxation in the carrier liquid, ie here in the medium or the matrix of the sample, since this corresponds to the volume (the hydrodynamic volume) of the measuring complex. d. H. the complex of analyte (s) and probe (s) is linked.
Grundsätzlich als magnetisches Messverfahren im Rahmen dieser Erfindung geeignet ist daher die Messung der magnetischen Relaxation (als Immunoassay MARIA) und die Messung der magnetischen Suszeptibilität. Andere Messverfahren sind geeignet, sofern sie die unten noch näher beschriebene Nachweiskurve ergeben, was der Fachmann im Rahmen von Vorversuchen herausfinden kann.Fundamentally suitable as a magnetic measuring method in the context of this invention is therefore the measurement of the magnetic relaxation (as immunoassay MARIA) and the measurement of the magnetic susceptibility. Other measuring methods are suitable, provided that they give the detection curve described in more detail below, which the person skilled in the art can find out in the context of preliminary tests.
Die
In bevorzugten Ausführungsformen wird:
- (a) jeweils die Relaxation des magnetischen Momentes der Probe nach Abschalten eines externen Magnetfeldes,
- (b) jeweils die komplexe magnetische Suszeptibilität, insbesondere unter Variation der Frequenz und Bestimmung der frequenzabhängigen komplexen magnetischen Suszeptibilität,
- (a) respectively the relaxation of the magnetic moment of the sample after switching off an external magnetic field,
- (b) in each case the complex magnetic susceptibility, in particular with variation of the frequency and determination of the frequency-dependent complex magnetic susceptibility,
Die Nachweiskurve oder Messkurve des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Abhängigkeit der gewählten Messgröße, also beispielsweise der magnetischen Relaxation, von dem Verhältnis der Analyt/Sonden-Konzentration. Diese Messkurve muss einen klar auswertbaren Extremwert aufweisen. Andernfalls ist das Verfahren durch Variation der Sonden oder der Sondenkonzentration anzupassen bis die Messkurve die charakteristische Form, wie aus
Dabei korreliert die Agglutination von Analyt und Sonde mit der gewählten Messgröße in der Weise, dass der Mittelwert der volumengewichteten Größenverteilung der Aggregate und/oder die Streuung der Größenverteilung der Aggregate einen Extremwert bei einem bestimmten Zahlenverhältnis von Sonden zu Analytmolekülen aufweist. Wenn dies nachgewiesen werden kann, ist von einer verlässlichen Quantifizierung des Analyten mit dem neuen Nachweisverfahren auszugehen.In this case, the agglutination of analyte and probe correlates with the selected measured variable in such a way that the mean value of the volume-weighted size distribution of the aggregates and / or the scattering of the size distribution of the aggregates has an extreme value for a certain number ratio of probes to analyte molecules. If this can be proven, a reliable quantification of the analyte with the new detection method can be assumed.
In sehr bevorzugter Ausführungsform wird das gefundene Konzentrationsverhältnis herangezogen, um allein aus dem extremwertbestimmenden Konzentrationsverhältnis von Analyt und Sonden über eine Kalibrierkurve die Absolutkonzentration des Analyten zu ermitteln.In a very preferred embodiment, the concentration ratio found is used to determine the absolute concentration of the analyte solely from the extreme value determining concentration ratio of analyte and probe via a calibration curve.
Die Kalibrierkurve kann durch Messungen an Referenzmaterial mit bekannten Analyt- und Sondenkonzentrationen oder durch Modellannahmen unter Zugrundelegung der Anzahl der Bindungsstellen von Sonden und Analyten sowie Größenannahmen zu Sonden und Analyten gefunden werden.The calibration curve can be found by measurements on reference material with known analyte and probe concentrations or by model assumptions based on the number of binding sites of probes and analytes and size assumptions on probes and analytes.
Vorzugsweise wird die Kalibrierkurve durch Messungen an Referenzmaterial aufgenommen, und zwar weiter vorzugsweise durch wenigstens eine Konzentrationsreihe unter Variation der Analyt- oder der Sondenkonzentration.Preferably, the calibration curve is recorded by measurements on reference material, and more preferably by at least one concentration series with variation of the analyte or the probe concentration.
In bevorzugter Ausführungsform wird die Konzentrationsreihe durch eine Verdünnungsreihe des Analyten hergestellt und die Konzentration der Sonden wird innerhalb der Reihe konstant gehalten. Gleichwertig hierzu könnte der Analyt aufkonzentriert werden, was technisch jedoch weit aufwendiger als die Verdünnungsreihe wäre.In a preferred embodiment, the concentration series is prepared by a dilution series of the analyte and the concentration of the probes is kept constant within the series. Equivalently, the analyte could be concentrated, which would be technically far more complicated than the dilution series.
Alternativ kann die Konzentrationsreihe durch Variation der Sondenkonzentration hergestellt werden und die Konzentration des Analyten innerhalb der Reihe wird gleich gehalten. Diese Möglichkeiten gelten sowohl für die Aufnahme der Kalibrierkurven, wie auch für die Konzentrationsreihen für die quantitativanalytischen Messungen.Alternatively, the concentration series can be made by varying the probe concentration and the concentration of the analyte within the series is kept the same. These possibilities apply both to the recording of the calibration curves and to the concentration series for the quantitative analytical measurements.
In beiden Fällen kann es vorteilhaft sein, mehrere Konzentrationsreihen aufzunehmen, insbesondere mit veränderten Einzelkonzentrationswerten, um die Genauigkeit zu erhöhen, bzw. die statistische Streuung zu verringern.In both cases, it may be advantageous to record several concentration series, in particular with changed individual concentration values, in order to increase the accuracy or to reduce the statistical dispersion.
Im Gegensatz zu den beschriebenen Verfahren im Stande der Technik, werden mit dem neuen Verfahren Aggregate, die in einem einzigen Reaktionsschritt durch die Agglutination des Analyten mit den Sonden entstehen, quantifiziert. Quantifizierung bedeutet hier, dass ein mit der Größenverteilung der Aggregate korrelierender Parameter, darüber der Anteil der aggregierten Sonden und hieraus wiederum die Konzentration des Analyten ermittelt wird. Dies erfolgt, indem mehrere Proben mit unterschiedlichem Konzentrationsverhältnis zwischen Analyt und Sonden vermessen werden, wie oben beschrieben, und ein geeignetes mathematisches Modell an die Messkurve, z. B. eine Magnetrelaxationskurve (z. B. bei MARIA-Messung), angepasst wird. Die Abhängigkeit der die Aggregate beschreibenden Parameter vom Verhältnis der Konzentrationen von Sonden zu Analyt ist die Konzentrationsbestimmungskurve. Kernpunkt des neuen Verfahrens ist, dass die Konzentrationsbestimmungskurve ein stark ausgebildetes Maximum bei einem bestimmten Zahlenverhältnis von Sonden zu Analytmolekülen aufweist und dass dies mit einem Agglutinationsmaximum bei einem bestimmten Analyt-Sonden-Verhältnis zusammenhängt. Aus der Lage des Maximums der Konzentrationsbestimmungskurve lässt sich im Umkehrschluss bei bekannter Sondenkonzentration auf die Analytkonzentration schließen.In contrast to the methods described in the prior art, the new method quantifies aggregates which are formed in a single reaction step by the agglutination of the analyte with the probes. Quantification here means that a parameter correlating with the size distribution of the aggregates, above the proportion of aggregated probes and, in turn, the concentration of the analyte is determined. This is done by measuring several samples with different concentration ratio between analyte and probes, as described above, and applying a suitable mathematical model to the measurement curve, e.g. B. a magnetic relaxation curve (eg., MARIA measurement) is adjusted. The dependence of the parameters describing the aggregates on the ratio of the concentrations of probes to analyte is the concentration determination curve. The key point of the new method is that the concentration determination curve has a strongly developed maximum with a certain number ratio of probes to analyte molecules and that this is associated with an agglutination maximum at a certain analyte-probe ratio. From the position of the maximum of the concentration determination curve, the analyte concentration can be inferred conversely with known probe concentration.
Im einfachsten Fall erfolgt die Ermittlung des Extremwerts und der genauen Lage des Extremwerts in Bezug auf das Analyt-zu-Sonden-Verhältnis (genauer Abszissenwert) durch Interpolation der Messpunkte/Messwerte, alternativ durch eine andere mathematische Kurvenanalyse der Messkurve, bei der durch mathematische Kurvenanpassung die genaue Ermittlung des Extremwerts erfolgt.In the simplest case, the determination of the extreme value and the exact position of the extreme value with respect to the analyte-to-probe ratio (exact abscissa value) is done by interpolation of the measurement points / measurements, alternatively by another mathematical curve analysis of the measurement curve, by mathematical curve fitting the exact determination of the extreme value takes place.
Bevorzugt erfolgt die Berechnung der Analytkonzentration durch Vergleich der Extremwertposition der Probenmessung allein mit den Extremwertpositionen wenigstens einer Kalibrierkurve. Es ist im allgemeinen weniger vorteilhaft, den Absolutwert des Maximums, d. h. den Maximalwert der Messgröße, zur Analyse mit heranzuziehen.The analyte concentration is preferably calculated by comparing the extreme value position of the sample measurement with the extreme value positions of at least one calibration curve. It is generally less advantageous to calculate the absolute value of the maximum, i. H. the maximum value of the measurand, for analysis.
In bevorzugter Ausführungsform ist der Analyt ein Biomolekül, insbesondere ein Antigen oder ein Antikörper. Solche Analyten sind häufig multivalent, so dass die für die Erfindung gewünschte Nachweiskurve leicht erhalten werden kann. Grundsätzlich ist das Verfahren jedoch für jeden Analyten durchführbar, der mit einem an ein Markierungs-Nanoteilchen verbundenen Nachweismolekül quantitativ nachgewiesen werden kann.In a preferred embodiment, the analyte is a biomolecule, in particular an antigen or an antibody. Such analytes are often multivalent, so that those desired for the invention Evidence curve can be easily obtained. In principle, however, the method can be carried out for any analyte which can be detected quantitatively with a detection molecule connected to a labeling nanoparticle.
Die Nachweismoleküle für die bevorzugten Analyten „Biomoleküle” sind vorzugsweise Antikörper, spezifische Antikörperfragmente, Antigene, spezifische Antigenfragmente, spezifisch an Rezeptoren bindende Agonisten oder Antagonisten, allgemein spezifische Peptide, Proteine, Nukleotide, DNAs oder RNAs. Das flüssige Medium, in dem sich der Analyt befindet, d. h. die Probenmatrix, ist vorzugsweise ein wässriges Medium, insbesondere bei Proben von Biomolekülen.The detection molecules for the preferred analytes "biomolecules" are preferably antibodies, specific antibody fragments, antigens, specific antigen fragments, receptor-binding agonists or antagonists, generally specific peptides, proteins, nucleotides, DNAs or RNAs. The liquid medium in which the analyte is located, d. H. the sample matrix is preferably an aqueous medium, especially for samples of biomolecules.
Die die Nachweismoleküle markierenden Nanoteilchen sind vorzugsweise weltgehend monodispers, d. h. von möglichst gleichmäßiger Größe (gemessen an mittlerem Volumen oder mittlerem Durchmesser). Eine gewisse Größenverteilung kann in Kauf genommen werden. Die Größe der Teilchen liegt vorzugsweise zwischen 1 und 400 nm (mittlerer Durchmesser), weiter bevorzugt zwischen 1 und 200 nm. Für bestimmte Messverfahren sind bestimmte Teilchengrößen vorteilhaft, die der Fachmann entsprechend auswählen kann.The nanoparticles which label the detection molecules are preferably monodisperse, ie. H. as uniform as possible (measured by mean volume or mean diameter). A certain size distribution can be accepted. The size of the particles is preferably between 1 and 400 nm (average diameter), more preferably between 1 and 200 nm. For certain measuring methods, certain particle sizes are advantageous, which the person skilled in the art can select accordingly.
Die magnetischen oder magnetisierbaren Nanoteilchen sind bevorzugt aus superparamagnetischen, ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Substanzen, vorzugsweise aus Eisenoxid, Bariumferrit oder Strontiumferrit oder Kobaltferrit.The magnetic or magnetizable nanoparticles are preferably of superparamagnetic, ferromagnetic or ferrimagnetic substances, preferably of iron oxide, barium ferrite or strontium ferrite or cobalt ferrite.
Die Nanopartikel können oberflächenbehandelt sein oder eine Oberflächenbeschichtung tragen.The nanoparticles can be surface-treated or carry a surface coating.
Die Herstellung der Nanopartikel als solche und der Sonden aus Nanopartikeln und Nachweismolekülen ist im Stand der Technik bekannt und muss daher hier nicht gesondert ausgeführt werden. Es wird u. a. auf die oben genannte
Das Verfahren besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Analysemethoden:
- 1. Es ist vergleichsweise einfach und schnell durchzuführen und dabei robust, d. h. wegen der erfindungsgemäßen Kurvenanpassung wenig empfindlich auf Schwankungen und Inhomogenitäten bei Einzelmessungen; das Verfahren ist daher unanfällig gegenüber Messartefakten und zumindest bei den magnetischen Messverfahren ist das intrinsische Untergrundsignal nur sehr gering und in der Regel vernachlässigbar;
- 2. In die Nachweisreaktion sind nur die Analyten und die Sonden involviert. Es sind weder eine vorherige Immobilisierung der Analyten noch andere Manipulationen der Probe notwendig;
- 3. Es ist nur eine Bindungsreaktion nötig; bei Auswertung rein magnetischer Signale ist die Probenmatrix i. a. gut transparent;
- 4. Die Auswertung von Absolutwerten der Messgröße ist nicht erforderlich, auf die Amplitude der Signale kommt es daher nicht an; aufgrund der starken Korrelation zwischen Aggregatgröße und Messgröße (z. B. magnetischer Relaxationszeit) kann auf eine Kalibrierung der Amplitude verzichtet werden. Das ist insbesondere für einen Einsatz der genannten magnetischen Messverfahren wichtig, wo die Sonden nur grob lokalisiert werden können. Eine Quantifizierung über die Signalamplituden würde zu stark erhöhten Analyseunsicherheiten führen, da das Signal der magnetischen Marker in der dritten Potenz vom Abstand Probemolekül/Detektor abhängt.
- 1. It is comparatively simple and quick to perform while robust, ie because of the curve adjustment according to the invention little sensitive to fluctuations and inhomogeneities in individual measurements; the method is therefore not susceptible to measurement artifacts and at least in the magnetic measurement method, the intrinsic background signal is only very small and usually negligible;
- 2. Only the analytes and the probes are involved in the detection reaction. Neither prior immobilization of the analytes nor other manipulations of the sample are necessary;
- 3. Only one binding reaction is necessary; when evaluating purely magnetic signals, the sample matrix is generally well transparent;
- 4. The evaluation of absolute values of the measured variable is not required, so the amplitude of the signals is not important; Due to the strong correlation between aggregate size and measured variable (eg magnetic relaxation time), calibration of the amplitude can be dispensed with. This is particularly important for use of the mentioned magnetic measuring methods, where the probes can only be roughly localized. A quantification via the signal amplitudes would lead to greatly increased analysis uncertainties, since the signal of the magnetic markers in the cube depends on the distance between the sample molecule / detector.
Vorausgesetzt die Sonden sind reproduzierbar, stabil und weisen keine unspezifische Bindung auf, sollte die Lage des Aggregationsmaximums lediglich durch die Konzentration des Analyten und dessen Bindungsfähigkeit (Valenz) bestimmt sein. Routinemessungen sind dann auch ohne ständige Kalibriermessungen möglich. Die Lage des Maximums der Konzentrationsbestimmungskurve einer Charge von Sonden müsste nur einmal zu Beginn erfolgen.Provided the probes are reproducible, stable and have no non-specific binding, the location of the aggregation maximum should be determined only by the concentration of the analyte and its binding ability (valence). Routine measurements are then possible without constant calibration measurements. The location of the maximum of the concentration determination curve of a batch of probes would need to be only once at the beginning.
Allgemeine Durchführung des Verfahrens:General implementation of the procedure:
Um die Konzentration des Analyten zu bestimmen, wird zunächst eine Kalibriermessung durchgeführt, um den genauen Zusammenhang zwischen Analytkonzentration und Messgröße zu erhalten. Danach wird die Probe mit dem zu quantifizierenden Analyten gemessen. Die Analytkonzentration wird aus dem Messsignal unter Verwendung der Kalibrierkurve berechnet. Als Beispiel für die Messung der Agglutination der nanopartikulären Sonden in Gegenwart des Analyten wird hier die Magnetrelaxometrie gewählt.To determine the concentration of the analyte, a calibration measurement is first performed to obtain the exact relationship between analyte concentration and measurement. Thereafter, the sample is measured with the analyte to be quantified. The analyte concentration is calculated from the measurement signal using the calibration curve. As an example for measuring the agglutination of the nanoparticulate probes in the presence of the analyte, the magnetorelaxometry is chosen here.
1. Kalibriermessung1. Calibration measurement
Zunächst wird eine Konzentrationsreihe des Analyten A mit der bekannten Konzentration cA hergestellt. Die N Proben des Analyten, der in den Konzentrationen cA,i = cA/Vi mit i = 1 bis N vorliegt, wobei Vi die jeweiligen Verdünnungsfaktoren sind, werden nun mit den nanopartikulären Sonden (z. B. Antikörpern, die mit magnetischen Nanopartikeln markiert sind) mit der festen Konzentration cs inkubiert. Bei etwa gleichen Bindungsvalenzen von Analyt und Sonde sollte cs innerhalb des Konzentrationsbereiches von cA,i liegen. Andernfalls sind die Konzentrationswerte der Konzentrationsreihe entsprechend anzupassen. Die Inkubationszeit ist so zu wählen, dass die Bindungsreaktion den Gleichgewichtszustand erreicht, was mit Hilfe von Vorversuchen ggf. zu ermitteln ist. Als Wahl für die Vi eignet sich z. B. eine geometrische Reihe wie z. B. Vi = 3'. Nach der Inkubation sind die Relaxationskurven mit einem geeigneten Relaxometer zu messen, und die Relaxationszeiten τi oder andere die Agglutination beschreibende, geeignete Parameter, die durch das Messverfahren zugänglich sind, wie z. B. die Aggregatgröße, zu ermitteln. Nun wird dieser Parameter in Abhängigkeit vom Konzentrationsverhältnis κi = cs/cA,i aufgetragen. Bei vorhandener Agglutionation sollten diese Punkte, z. B. (κi, τi) ein lokales Maximum oder Minimum aufweisen. Das Konzentrationsverhältnis κ', bei dem sich dieses Extremum befindet, ist zu ermitteln. Gegebenenfalls kann nun eine mathematische Funktion, die den Verlauf der Punkte im Bereich des Linienmaximums gut beschreibt, an die Messwerte im Bereich des Linienmaximums angepasst werden. So kann durch Interpolation der Messpunkte der Wert von κ' mit höherer Genauigkeit berechnet werden.First, a concentration series of the analyte A with the known concentration c A is produced. The N samples of the analyte present in the concentrations c A, i = c A / V i where i = 1 to N, where V i are the respective dilution factors, are now compared with the nanoparticulate probes (eg, antibodies, labeled with magnetic nanoparticles) with the fixed concentration c s incubated. At approximately equal binding valences of analyte and probe, c s should be within the concentration range of c A, i . Otherwise, the Adjust concentration values of the concentration series accordingly. The incubation time should be selected so that the binding reaction reaches the equilibrium state, which can be determined by preliminary tests if necessary. As a choice for the V i is z. B. a geometric series such. B. V i = 3 '. After incubation, the relaxation curves are to be measured with a suitable relaxometer, and the relaxation times τ i or other suitable parameters describing the agglutination, which are accessible by the measuring method, such as. B. the aggregate size to determine. Now, this parameter is plotted as a function of the concentration ratio κ i = c s / c A, i . If there is agglutination, these points, eg. B. (κ i , τ i ) have a local maximum or minimum. The concentration ratio κ 'at which this extremum is located is to be determined. Optionally, a mathematical function that well describes the course of the points in the area of the line maximum can now be adapted to the measured values in the area of the line maximum. Thus, by interpolating the measurement points, the value of κ 'can be calculated with higher accuracy.
2. Messung des Analyten mit unbekannter Konzentration2. Measurement of the analyte of unknown concentration
Hier bieten sich mindestens zwei verschiedene Wege zur Durchführung der Messung an:Here are at least two different ways to perform the measurement:
2.1. Variation der Analytenkonzentration2.1. Variation of the analyte concentration
Bei dieser Messung wird genauso verfahren wie bei der Messung der Kalibrierkurve, nur dass anstelle des Analyten mit bekannter Konzentration die zu untersuchende Probe, die den Analyten A mit der unbekannten Konzentration cA enthält, verwendet wird. Von dieser Probe wird also eine Verdünnungsreihe hergestellt, wobei jetzt nur die Verdünnungsfaktoren Vi bekannt sind. Die Proben werden mit den Sonden mit der festen Konzentration cs inkubiert, und der oder die die Agglutination beschreibenden Parameter wird/werden gemessen und über die Größe ωi = cs/Vi abgetragen. Sollte sich kein lokales Maximum eingestellt haben, ist, wie bereits oben erwähnt, cs so zu verändern, dass sein Wert innerhalb des abzuschätzenden Bereiches von cA/Vi liegt, vorausgesetzt die Bindungsvalenz von Sonden und Analyten ist etwa gleich. Der Wert ω', bei dem die Agglutination maximal ist, ist wie oben beschrieben zu ermitteln. Mit diesem Wert ω' kann jetzt die Analytkonzentration unter Nutzung des Kalibrierwertes κ' vermittels cA = ω'/κ' berechnet werden.The same procedure is used for this measurement as for the calibration curve, except that instead of the analyte of known concentration, the sample to be analyzed containing analyte A of unknown concentration c A is used. From this sample, therefore, a dilution series is prepared, whereby now only the dilution factors V i are known. The samples are incubated with the probes at the fixed concentration c s , and the parameter ( s) describing the agglutination are measured and plotted against the quantity ω i = c s / V i . If no local maximum has been established, as already mentioned above, c s should be changed so that its value is within the range of c A / V i to be estimated, provided the binding valence of probes and analytes is approximately equal. The value ω ', at which the agglutination is maximum, is to be determined as described above. With this value ω ', the analyte concentration can now be calculated using the calibration value κ' by means of c A = ω '/ κ'.
2.2. Variation der Sondenkonzentraion2.2. Variation of probe concentration
Von den nanopartikulären Sonden ist eine Konzentrationsreihe cs,i = cs/Vi zu präparieren, wobei die zu erwartende Analytkonzentration cA in diesem Bereich liegen muss, wenn, wie oben erwähnt, die Bindungsvalenzen von Analyt und Sonden etwa gleich sind, d. h. cs,max < cA < cs,1. Nun sind die N Aliquote des Analyten mit den Sonden der Konzentraionen cs,i zu inkubieren. Die minimale Inkubationszeit ist so zu wählen, dass die Bindungsreaktion der Probe mit der niedrigsten Sondenkonzentration den Gleichgewichtszustand erreicht, da hier erwartungsgemäß die Reaktionszeit am längsten ist. Danach sind die Relaxationskurven zu messen und wiederum die Relaxationszeiten oder ein anderer geeigneter und zugänglicher Parameter zu ermitteln und in Abhängigkeit von der Sondenkonzentration cs,i aufzutragen. Wie oben beschrieben ist die Sondenkonzentration cs', bei der das Extremum der Messwerte liegt, ggf. durch Interpolation zu ermitteln. Damit berechnet sich die unbekannte Analytkonzentration zu cA = cs'/κ'.Of the nanoparticulate probes, a concentration series c s, i = c s / V i is to be prepared, the expected analyte concentration c A having to be in this range if, as mentioned above, the binding valences of analyte and probes are approximately equal, ie c s, max <c A <c s, 1 . Now, the N aliquots of the analyte are to be incubated with the probes of the concentrations c s, i . The minimum incubation time should be chosen so that the binding reaction of the sample with the lowest probe concentration reaches the equilibrium state, as expected, the reaction time is the longest. Thereafter, the relaxation curves are to be measured and, in turn, the relaxation times or another suitable and accessible parameter to be determined and applied as a function of the probe concentration c s, i . As described above, the probe concentration c s ', at which the extremum of the measured values lies, may be determined by interpolation. This calculates the unknown analyte concentration to c A = c s '/ κ'.
BEISPIELEXAMPLE
Es wird eine magnetische Relaxationsmessung an Biotin als Beispielanalyt durchgeführt:
Messverfahren: MRX-Messung
Analyt: Biotin-BSA (BBSA)
Sonden: MNP-Sonden (fluidMagSA, chemicell GmbH)
Inkubationszeit: 18 StundenA magnetic relaxation measurement of biotin is carried out as an example analyte:
Measurement method: MRX measurement
Analyte: Biotin-BSA (BBSA)
Probes: MNP probes (fluidMagSA, chemicell GmbH)
Incubation time: 18 hours
Es wurde eine Messkurve der magnetischen Relaxationszeiten (in Millisekunden) an einer Konzentrationsreihe inkubierter Proben mit verschiedenem Verhältnis zwischen MNP-Konzentration und BBSA-Konzentration aufgenommen. Für die Relaxationszeit, für den mittleren Aggregatdurchmesser der volumengewichteten Größenverteilung in Nanometer und für den Streuparameter der Größenverteilung der Aggregate zeigt sich übereinstimmend ein klares Maximum in Form eines Kurven-Einzelpeaks. Das Ergebnis ist in
Die Lage und Form des Aggregationsmaximums wird auch von der Struktur der Sonden bestimmt. Bei der Verwendung von größeren Nanopartikeln, die entsprechend über eine größere Zahl von spezifisch bindenden Detektionsmolekülen verfügen, tritt das Maximum der Aggregation bei einem kleineren Sonden-zu-Analyt-Verhältnis auf (
Durch die Auswahl der Größe der Sonden kann demnach Einfluss auf eine geeignete Lage der Messkurve genommen werden.By selecting the size of the probes, it is thus possible to influence an appropriate position of the measuring curve.
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:In the accompanying drawings show:
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