RU2320994C1 - Method for assay of biological toxins - Google Patents

Method for assay of biological toxins Download PDF

Info

Publication number
RU2320994C1
RU2320994C1 RU2006125158/15A RU2006125158A RU2320994C1 RU 2320994 C1 RU2320994 C1 RU 2320994C1 RU 2006125158/15 A RU2006125158/15 A RU 2006125158/15A RU 2006125158 A RU2006125158 A RU 2006125158A RU 2320994 C1 RU2320994 C1 RU 2320994C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biotoxin
immobilized
biotoxins
antibodies
microchip
Prior art date
Application number
RU2006125158/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Екатерина Игоревна Дементьева (RU)
Екатерина Игоревна Дементьева
Вероника Игоревна Дюкова (RU)
Вероника Игоревна Дюкова
Александр Сергеевич Заседателев (RU)
Александр Сергеевич Заседателев
Алла Юрьевна Рубина (RU)
Алла Юрьевна Рубина
Андрей Александрович Стомахин (RU)
Андрей Александрович Стомахин
нов Владимир Андреевич Несме (RU)
Владимир Андреевич Несмеянов
Евгений Васильевич Гришин (RU)
Евгений Васильевич Гришин
Original Assignee
Институт Молекулярной Биологии Им. В.А.Энгельгардта Российской Академии Наук
Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской Академии Наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт Молекулярной Биологии Им. В.А.Энгельгардта Российской Академии Наук, Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской Академии Наук filed Critical Институт Молекулярной Биологии Им. В.А.Энгельгардта Российской Академии Наук
Priority to RU2006125158/15A priority Critical patent/RU2320994C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2320994C1 publication Critical patent/RU2320994C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine, analytical biochemistry.
SUBSTANCE: claimed method includes assay of various biological toxins by using biological microarray. Said biological microarray represents ordered array of three-dimensional hydrogel cells on solid support, obtained by photo- or chemically induced polymerization and containing immobilized antibodies against various bacterial, plant and animal originated toxins or biotoxins. Method of present invention makes it possible to analyze simultaneously several biotoxins in sample.
EFFECT: method of increased sensitivity.
8 cl, 3 dwg, 1 tbl, 6 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к аналитической биохимии и количественному иммунохимическому анализу и касается количественного обнаружения различных биологических токсинов иммунохимическим методом с использованием трехмерных микрочипов на основе гидрогелей.The invention relates to analytical biochemistry and quantitative immunochemical analysis and for the quantitative detection of various biological toxins by the immunochemical method using three-dimensional microchips based on hydrogels.

Предлагаемый способ обнаружения биотоксинов может быть использован в медицине, в пищевой промышленности, в охране окружающей среды. В настоящее время разработка быстрых и чувствительных методов анализа биологических токсинов приобретает важное значение в связи с угрозой биотерроризма, так как многие природные токсины могут быть использованы в качестве компонентов биологического оружия.The proposed method for the detection of biotoxins can be used in medicine, in the food industry, in environmental protection. Currently, the development of fast and sensitive methods for the analysis of biological toxins is becoming important due to the threat of bioterrorism, since many natural toxins can be used as components of biological weapons.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время хорошо известны многие бактериальные, растительные и животные токсины, обладающие сильным токсическим действием на человеческий организм. К наиболее сильным токсинам, продуцируемым микроорганизмами, относятся ботулинический, столбнячный и холерный токсины; из токсинов растительного происхождения наиболее сильными являются рицин и абрин. Существует также множество токсинов, секретируемых ядовитыми животными: змеями, пауками, скорпионами и т.д. Большинство биотоксинов имеют полипептидную природу, однако известны и низкомолекулярные соединения, имеющие высокую токсичность, например тетродотоксин (иглобрюхие рыбы), Т-2 токсин (грибы), токсины сине-зеленых водорослей.Currently, many bacterial, plant and animal toxins that have a strong toxic effect on the human body are well known. The most powerful toxins produced by microorganisms include botulinum, tetanus and cholera toxins; of plant toxins, ricin and abrin are the most powerful. There are also many toxins secreted by poisonous animals: snakes, spiders, scorpions, etc. Most biotoxins are polypeptide in nature, however, low molecular weight compounds with high toxicity are also known, for example tetrodotoxin (acupuncture fish), T-2 toxin (fungi), blue-green algae toxins.

Для идентификации и анализа как самих токсинов, так и организмов, которые их вырабатывают, в настоящее время используются различные лабораторные методы, включающие тесты на животных, микробиологические методы, анализ ДНК с использованием ПЦР, иммунологические методы: прямой и непрямой радиоиммунологический, иммунофлуоресцентный и иммуноферментный анализ. Наиболее чувствительным, быстрым и удобным методом анализа токсинов является иммунохимический метод с использованием антител против токсинов. Чувствительность иммуноанализа биотоксинов с использованием классического "плашечного" варианта достигает 0,01-1 нг вещества в 1 мл исследуемого раствора (например, в случае рицина [1], стафилококкового энтеротоксина В [2], дифтерийного токсина [3]).To identify and analyze both the toxins themselves and the organisms that produce them, various laboratory methods are currently used, including animal tests, microbiological methods, DNA analysis using PCR, immunological methods: direct and indirect radio immunological, immunofluorescence and enzyme immunoassay . The most sensitive, fast and convenient method of analyzing toxins is the immunochemical method using antibodies against toxins. The sensitivity of biotoxin immunoassay using the classic “spot” variant reaches 0.01-1 ng of substance in 1 ml of the test solution (for example, in the case of ricin [1], staphylococcal enterotoxin B [2], diphtheria toxin [3]).

[1] М.А.Poli, V.R.Rivera, J.F.Hevetson, G.A.Merril. Detection of ricin by colorimetric and chemiluminescence ELISA, Toxicon, 1994, 32, 1371-1377.[1] M.A. Poly, V. R. Rivera, J. F. Heevetson, G. A. Merril. Detection of ricin by colorimetric and chemiluminescence ELISA, Toxicon, 1994, 32, 1371-1377.

[2] М.А.Poli, V.R.Rivera, D.Neal. Sensitive and specific colorimetric ELISAs for Staphylococcus aureus enterotoxins A and В in urine and buffer, Toxicon, 2002, 40, 1723-1726.[2] M.A. Poly, V. R. Rivera, D. Neal. Sensitive and specific colorimetric ELISAs for Staphylococcus aureus enterotoxins A and B in urine and buffer, Toxicon, 2002, 40, 1723-1726.

[3] K.H.Engler, A.Efstratiou. Rapid enzyme immunoassay for determination of toxigenicity among clinical isolates of corynebacteria, J. Clin. Microbiol., 2004, 38, 1385-1389.[3] K.H. Engler, A. Efstratiou. Rapid enzyme immunoassay for determination of toxigenicity among clinical isolates of corynebacteria, J. Clin. Microbiol., 2004, 38, 1385-1389.

Традиционные иммунологические методы не позволяют проводить одновременный тест на наличие нескольких токсинов в образце, поэтому существует необходимость разработки быстрого, чувствительного и эффективного метода одновременного параллельного анализа. Параллельный анализ образцов на присутствие нескольких соединений достигается при использовании микрочипов - массивов индивидуальных ячеек, содержащих различные зонды (белки, рецепторы, антитела, антигены и др.). Проведение одновременного анализа образца по многим параметрам значительно увеличивает эффективность анализа, позволяет миниатюризировать проведение исследований и значительно снижает количество исследуемого материала.Traditional immunological methods do not allow a simultaneous test for the presence of several toxins in a sample, so there is a need to develop a quick, sensitive and effective method for simultaneous parallel analysis. Parallel analysis of samples for the presence of several compounds is achieved using microarrays - arrays of individual cells containing various probes (proteins, receptors, antibodies, antigens, etc.). Conducting a simultaneous analysis of the sample in many ways significantly increases the efficiency of the analysis, allows you to miniaturize the research and significantly reduces the amount of test material.

Описано применение чипов различной конструкции для детекции биологических токсинов. Для одновременного иммунологического определения биологических токсинов предложен чип-биосенсор на основе иммобилизованных антител против биотоксинов [4].The use of chips of various designs for the detection of biological toxins is described. For the simultaneous immunological determination of biological toxins, a chip biosensor based on immobilized antibodies against biotoxins has been proposed [4].

[4] F.S.Ligler, C.R.Taitt, L.C.Shriver-Lake, K.E.Sapsford, Y.Shubin, J.P.Golden. Array biosensor for detection of toxins. Anal. Bioanal. Chem., 2003, 377, 469-477.[4] F. S. Ligler, C. R. Taitt, L. C. Shriver-Lake, K. E. Sapsford, Y.Shubin, J.P. Golden. Array biosensor for detection of toxins. Anal. Bioanal. Chem., 2003, 377, 469-477.

Биочип состоял из двух элементов (блоков). На поверхности предметного стекла располагали каналы с иммобилизованными антителами. Иммобилизация проводилась путем образования комплекса авидин-биотинилированные антитела. Токсины белковой природы анализировали с помощью сэндвич-анализа с использованием пары соответствующих антител. Растворы антигенов и флуоресцентно-меченных проявляющих антител подавали к иммобилизованным антителам через каналы на втором блоке, ориентированном перпендикулярно колонкам иммобилизованных антител. Флуоресцентные сигналы комплексов антитело-антиген-меченое антитело регистрировали с помощью конфокального микроскопа. Пределы детекции токсинов составили 1,6 нг/мл для холерного токсина, 8 нг/мл для рицина, 40 нг/мл для ботулинического токсина А, 4 нг/мл для стафилококкового энтеротоксина В, 6,2·104 КОЕ/мл для бактерий Bacillus globigii. Этот биосенсор использовали также для детекции низкомолекулярных токсинов методом конкурентного иммуноанализа.The biochip consisted of two elements (blocks). Channels with immobilized antibodies were located on the surface of the slide. Immobilization was carried out by the formation of a complex of avidin-biotinylated antibodies. Protein toxins were analyzed by sandwich analysis using a pair of appropriate antibodies. Solutions of antigens and fluorescently-labeled developing antibodies were supplied to the immobilized antibodies through channels on the second block, oriented perpendicular to the columns of immobilized antibodies. The fluorescent signals of the antibody-antigen-labeled antibody complexes were recorded using a confocal microscope. The limits of detection of toxins were 1.6 ng / ml for cholera toxin, 8 ng / ml for ricin, 40 ng / ml for botulinum toxin A, 4 ng / ml for staphylococcal enterotoxin B, 6.2 · 10 4 CFU / ml for bacteria Bacillus globigii. This biosensor was also used for the detection of low molecular weight toxins by competitive immunoassay.

Для прямого иммуноанализа меченных флуоресцеином стафилококкового и холерного токсинов фирмой Nanogen (США) предложены электронные микрочипы с иммобилизованными антителами [5].For direct immunoassay of fluorescein-labeled staphylococcal and cholera toxins, Nanogen (USA) has proposed electronic microarrays with immobilized antibodies [5].

[5] K.L.Ewalt, R.W.Haigis, R.Rooney, D.Ackley, M.Krihak. Detection of biological toxins on an active electronic microchip, Anal. Biochem., 2001, 289, 162-172.[5] K. L. Ewalt, R. W. Haigis, R. Rooney, D. Axley, M. Krihak. Detection of biological toxins on an active electronic microchip, Anal. Biochem., 2001, 289, 162-172.

Иммобилизация биотинилированых антител на микрочипе осуществлялась путем образования комплексов авидин-биотин на микросайтах, содержащих авидин. К микросайтам были подведены электроды, и биотинилированные антитела, а также растворы анализируемых токсинов подавались под действием электрического поля. В этом случае эксперименты по анализу проводили только с токсинами, в которые предварительно была введена флуоресцентная метка.The biotinylated antibodies were immobilized on a microchip by the formation of avidin-biotin complexes on microsites containing avidin. Electrodes were connected to microsites, and biotinylated antibodies, as well as solutions of the analyzed toxins, were supplied under the influence of an electric field. In this case, the analysis experiments were carried out only with toxins into which a fluorescent label was previously introduced.

Фирма Biopraxis (США) разрабатывает технологию микрочипов, в которой для детекции сигнала используется Рамановская спектроскопия (комбинационное рассеяние) [6].Biopraxis (USA) is developing a microarray technology in which Raman spectroscopy (Raman scattering) is used for signal detection [6].

[6] А.Е.Grow, L.L.Wood, J.L.Claycomb, P.A.Thompson, New biochip technology for label-free detection of pathogens and their toxins, J. Microbiol. Methods, 2003, 53, 221-233.[6] A. E. Grow, L. L. Wood, J. L. Claycomb, P. A. Thompson, New biochip technology for label-free detection of pathogens and their toxins, J. Microbiol. Methods, 2003, 53, 221-233.

Биомолекулы, в частности, антитела против биотоксинов, иммобилизуют на металлической поверхности в точках диаметром приблизительно 1 микрон. После обработки микрочипа раствором, содержащим анализируемое вещество, происходит образование комплекса антитело-антиген, которое детектируют, получая спектры комбинационного рассеяния, из которых вычитают спектры свободных антител. Показана возможность детекции В (1) и G (1) афлатоксинов из смеси.Biomolecules, in particular anti-biotoxin antibodies, are immobilized on a metal surface at points with a diameter of about 1 micron. After processing the microchip with a solution containing the analyte, an antibody-antigen complex forms, which is detected by obtaining Raman spectra, from which the spectra of free antibodies are subtracted. The possibility of detecting B (1) and G (1) aflatoxins from a mixture is shown.

Трехмерные микрочипы на основе полиакриламидных гидрогелей впервые были разработаны в ИМБ РАН [7].Three-dimensional microarrays based on polyacrylamide hydrogels were first developed at the IMB RAS [7].

[7] G.M.Ershov, A.D.Mirzabekov. Method of manufacturing a matrix for the detection of mismatches, US Patent №5770721.[7] G.M. Ershov, A.D. Mirzabekov. Method of manufacturing a matrix for the detection of mismatches, US Patent No. 5770721.

В настоящее время гелевые микрочипы получают методами сополимеризации и полимеризационной иммобилизации [8, 9].At present, gel microarrays are obtained by copolymerization and polymerization immobilization methods [8, 9].

[8] А.Д.Мирзабеков, А.Ю.Рубина, С.В.Паньков, Б.К.Чернов. Способ иммобилизации олигонуклеотидов, содержащих непредельные группы, в полимерных гелях при формировании микрочипа. Патент N2175972, 20 ноября 2001 (Б.И. 2001, N25).[8] A.D. Mirzabekov, A.Yu. Rubin, S.V. Pankov, B.K. Chernov. The method of immobilization of oligonucleotides containing unsaturated groups in polymer gels during the formation of a microchip. Patent N2175972, November 20, 2001 (B.I. 2001, N25).

[9] А.Д.Мирзабеков, А.Ю.Рубина, С.В.Паньков. Способ полимеризационной иммобилизации биологических макромолекул и композиция для его осуществления. Патент РФ N2216547.[9] A.D. Mirzabekov, A.Yu. Rubin, S.V. Pankov. Method for polymerization immobilization of biological macromolecules and composition for its implementation. RF patent N2216547.

Технология получения гидрогелевых микрочипов включает подготовку подложки (стекло, пластик, кремний) (1), нанесение полимеризационной смеси, содержащей компоненты геля и иммобилизуемые вещества, в виде капель на подложку с помощью робота (2), фотоиндупированную полимеризацию геля с образованием гелевых элементов, содержащих иммобилизованные зонды (3). В результате получаются массивы дискретных гелевых элементов, каждый их которых содержит иммобилизованный зонд. В качестве зондов могут выступать олигонуклеотиды, ДНК, белки, различные низкомолекулярные соединения [10-12]. Показано, что белковые микрочипы, полученные методом сополимеризации, можно использовать для исследования белок-белковых взаимодействий, в частности, взаимодействий антиген-антитело, проведения иммунохимических и ферментативных реакций [11, 12].The technology for producing hydrogel microarrays includes preparing a substrate (glass, plastic, silicon) (1), applying a polymerization mixture containing gel components and immobilized substances in the form of droplets onto a substrate using a robot (2), photoinduced gel polymerization with the formation of gel elements containing immobilized probes (3). As a result, arrays of discrete gel elements are obtained, each of which contains an immobilized probe. Oligonucleotides, DNA, proteins, and various low molecular weight compounds can serve as probes [10-12]. It was shown that protein microarrays obtained by copolymerization can be used to study protein-protein interactions, in particular, antigen-antibody interactions, and immunochemical and enzymatic reactions [11, 12].

[10] A.YU.Rubina, S.V.Pan′kov, E.I.Dementieva, D.N.Pen′kov, A.V.Butygin, V.A.Vasiliskov, A.V.Chudinov, A.L.Mikheikin, V.M.Mikhailovich, A.D.Mirzabekov. Hydrogel drop microchips with immobilized DNA: properties and methods for large-scale production, Anal. Biochem., 2004, 325, 92-106.[10] A.YU.Rubina, S.V. Pankov, E.I. Dementieva, D.N. Penkov, A.V. Butygin, V.A. Vasiliskov, A.V. Chudinov, A.L. Mikheikin, V.M. Mikhailovich, A.D. Mirzabekov. Hydrogel drop microchips with immobilized DNA: properties and methods for large-scale production, Anal. Biochem., 2004, 325, 92-106.

[11] А.Ю.Рубина, С.В.Паньков, С.М.Иванов, Е.И.Дементьева, А.Д.Мирзабеков. Белковые микрочипы. Докл. Акад. Наук, 2001, 381, 701-704.[11] A.Yu. Rubina, S.V. Pankov, S.M. Ivanov, E.I. Dementieva, A.D. Mirzabekov. Protein microchips. Doc. Acad. Science, 2001, 381, 701-704.

[12] A.Yu.Rubina, E.I.Dementieva, A.A.Stomakhin, E.L.Darii, S.V.Pan′kov, V.E.Barsky, S.M.Ivanov, E.V.Konovalova, A.D.Mirzabekov, Hydrogel-based protein microchips: manufacturing, properties, and applications, BioTechniques, 2003, 34, 1008-1022.[12] A.Yu.Rubina, EIDementieva, AAStomakhin, ELDarii, SVPan′kov, VEBarsky, SMIvanov, EVKonovalova, ADMirzabekov, Hydrogel-based protein microchips: manufacturing, properties, and applications, BioTechniques, 2003, 34, 1008-1022.

В предлагаемом изобретении микрочипы на основе трехмерных гидрогелей использованы для разработки способа количественного обнаружения биологических токсинов.In the present invention, microchips based on three-dimensional hydrogels are used to develop a method for the quantitative detection of biological toxins.

Недостаткиdisadvantages

Недостатком традиционных иммунологических методов анализа является невозможность проводить одновременный анализ нескольких соединений, в частности биотоксинов, в образце. Множественный параллельный анализ нескольких соединений достигается при использовании микрочипов.The disadvantage of traditional immunological methods of analysis is the inability to simultaneously analyze several compounds, in particular biotoxins, in the sample. Multiple parallel analysis of several compounds is achieved using microchips.

К недостаткам описанных в литературе способов анализа биологических токсинов на микрочипах относятся сложная технология изготовления микрочипов: объединение нескольких блоков, подведение каналов для подачи растворов, присоединение электродов. Регистрация сигналов производится с использованием сложной и дорогостоящей аппаратуры: конфокальный микроскоп, Рамановская спектроскопия и др. Эти недостатки преодолены при разработке способа иммуноанализа биологических токсинов с использованием трехмерных микрочипов на основе гидрогелей.The disadvantages of the methods for analyzing biological toxins on microchips described in the literature include the complex technology for manufacturing microchips: combining several blocks, connecting channels for supplying solutions, attaching electrodes. Signals are recorded using complex and expensive equipment: confocal microscope, Raman spectroscopy, etc. These disadvantages were overcome when developing a method for immunoassay of biological toxins using three-dimensional microchips based on hydrogels.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Целью изобретения является разработка способа количественного обнаружения биологических токсинов бактериального, растительного и животного происхождения, позволяющего проводить одновременный параллельный анализ нескольких биотоксинов в образце с чувствительностью, не уступающей или превышающей чувствительность стандартных иммунологических тестов. Поставленная цель достигается путем разработки способа количественного обнаружения биологических токсинов с использованием микрочипов на основе гидрогелей. Гидрогелевые элементы диаметром 100-600 мкм и высотой 30-100 мкм, содержащие иммобилизованные антитела против биотоксинов или биотоксины, получены методом фото- или химически индуцированной полимеризации и ковалентно закреплены на поверхности подложки (стекло, пластик или кремний). Предлагаемый способ включает следующие стадии:The aim of the invention is to develop a method for the quantitative detection of biological toxins of bacterial, plant and animal origin, allowing simultaneous parallel analysis of several biotoxins in a sample with a sensitivity not equal to or greater than the sensitivity of standard immunological tests. This goal is achieved by developing a method for the quantitative detection of biological toxins using microchips based on hydrogels. Hydrogel elements with a diameter of 100-600 μm and a height of 30-100 μm, containing immobilized antibodies against biotoxins or biotoxins, were obtained by photo- or chemically induced polymerization and covalently attached to the surface of the substrate (glass, plastic or silicon). The proposed method includes the following stages:

a) изготовление биологического микрочипа, представляющего собой упорядоченный массив трехмерных гидрогелевых ячеек на твердой подложке, содержащих иммобилизованные антитела к различным биотоксинам или биотоксины, причем в каждой отдельной ячейке иммобилизовано антитело к индивидуальному биотоксину или индивидуальный биотоксин;a) the manufacture of a biological microchip, which is an ordered array of three-dimensional hydrogel cells on a solid substrate, containing immobilized antibodies to various biotoxins or biotoxins, wherein an antibody to an individual biotoxin or an individual biotoxin is immobilized in each individual cell;

б) инкубацию микрочипа в реакционной среде, включающей образец, содержащий подлежащие анализу биотоксины, для образования иммунных комплексов биотоксин-антитело, которую при необходимости проводят в условиях перемешивания;b) incubation of the microchip in a reaction medium including a sample containing biotoxins to be analyzed for the formation of biotoxin-antibody immune complexes, which, if necessary, is carried out under stirring conditions;

в) детекцию образовавшегося комплекса;c) detection of the resulting complex;

г) количественное обнаружение анализируемого биотоксина.d) quantitative detection of the analyzed biotoxin.

При нанесении на микрочип реакционной среды, содержащей анализируемый образец (биотоксин), происходит образование иммунных комплексов со специфическими лигандами, иммобилизованными в гелевых ячейках микрочипа. Детекцию образовавшегося комплекса на стадии в) и последующее количественное обнаружение на стадии г) проводят в формате прямого, конкурентного или сэндвич-иммуноанализа.When a reaction medium containing the analyzed sample (biotoxin) is applied to the microchip, the formation of immune complexes with specific ligands immobilized in the gel cells of the microchip occurs. Detection of the formed complex at stage c) and subsequent quantitative detection at stage d) are carried out in the format of direct, competitive or sandwich immunoassay.

Для прямого иммуноанализа реакционная среда на стадии б) содержит анализируемый биотоксин, который образует специфический комплекс с иммобилизованными на чипе антителами против этого токсина.For direct immunoassay, the reaction medium in step b) contains the analyzed biotoxin, which forms a specific complex with antibodies against this toxin immobilized on a chip.

Конкурентный анализ проводят с использованием микрочипа с иммобилизованными биотоксинами или иммобилизованными антителами. В первом случае реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит меченые антитела к анализируемому биотоксину, и происходит конкуренция меченых антител за связывание с биотоксином в растворе и биотоксином, иммобилизованным на микрочипе. В другом варианте конкурентного анализа микрочип содержит иммобилизованные антитела, а реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит меченый биотоксин. Происходит конкуренция между меченым и немеченым биотоксином за связывание с иммобилизованными антителами.Competitive analysis is carried out using a microchip with immobilized biotoxins or immobilized antibodies. In the first case, the reaction medium in stage b) additionally contains labeled antibodies to the analyzed biotoxin, and labeled antibodies compete for binding with biotoxin in solution and biotoxin immobilized on a microchip. In another embodiment of a competitive assay, the microchip contains immobilized antibodies, and the reaction medium in step b) additionally contains labeled biotoxin. There is a competition between labeled and unlabeled biotoxin for binding to immobilized antibodies.

В случае сэндвич-иммуноанализа микрочип содержит иммобилизованные антитела, реакционная среда на стадии б) содержит анализируемый биотоксин, который образует специфический комплекс с иммобилизованными на чипе антителами. После образования комплекса микрочип проявляют мечеными антителами, специфичными к другому эпитопу данного биотоксина.In the case of a sandwich immunoassay, the microchip contains immobilized antibodies, the reaction medium in step b) contains the analyzed biotoxin, which forms a specific complex with antibodies immobilized on the chip. After complex formation, the microchip is developed with labeled antibodies specific for another epitope of the given biotoxin.

При необходимости стадию б) проводят в условиях перемешивания, которое значительно уменьшает время проведения анализа.If necessary, stage b) is carried out under stirring conditions, which significantly reduces the analysis time.

Способы прямого и конкурентного анализа возможны как для токсинов белковой природы, так и для низкомолекулярных токсинов. Сэндвич-вариант иммуноанализа возможен только для биотоксинов белковой природы, для которых можно получить антитела, специфичные к разным эпитопам белковой молекулы.Direct and competitive methods of analysis are possible both for protein toxins and for low molecular weight toxins. The sandwich variant of immunoassay is possible only for protein biotoxins, for which antibodies specific for different epitopes of the protein molecule can be obtained.

Регистрацию результатов иммуноанализа проводят с помощью флуоресценции, хемилюминесценции либо масс-спектрометрии непосредственно с гелевых элементов микрочипа. Антитела или биотоксины могут содержать флуоресцентные метки или являться конъюгатами с белками или другими соединениями, способными участвовать в реакциях, приводящих к излучению света (хеми- или биолюминесценции). Для масс-спектральной детекции не требуется введения дополнительных меток.Immunoassay results are recorded using fluorescence, chemiluminescence, or mass spectrometry directly from the gel elements of the microchip. Antibodies or biotoxins may contain fluorescent labels or conjugates to proteins or other compounds capable of participating in reactions leading to light emission (chemiluminescence or bioluminescence). Mass spectral detection does not require the introduction of additional labels.

Количественное обнаружение биотоксина осуществляют путем проведения стадий а)-в) со стандартными (эталонными) образцами, содержащими известные концентрации анализируемого биотоксина. Строится калибровочная зависимость "сигнал гелевой ячейки микрочипа - концентрация биотоксина". После этого стадии а)-в) проводят с анализируемым образцом, и по калибровочной зависимости определяют концентрацию анализируемого биотоксина в образце.Quantitative detection of biotoxin is carried out by carrying out stages a) -c) with standard (reference) samples containing known concentrations of the analyzed biotoxin. The calibration dependence “microchip gel cell signal - biotoxin concentration” is built. After this stage a) -c) is carried out with the analyzed sample, and the concentration of the analyzed biotoxin in the sample is determined by the calibration dependence.

Предлагаемый способ позволяет проводить одновременный параллельный анализ нескольких биотоксинов в образце. Микрочип для параллельного множественного анализа содержит иммобилизованные антитела против нескольких токсинов и/или несколько иммобилизованных биотоксинов. В каждой отдельной гелевой ячейке иммобилизовано антитело к индивидуальному биотоксину или индивидуальный биотоксин. После инкубации микрочипа в реакционной среде, включающей образец, содержащий несколько подлежащих анализу биотоксинов, образуются специфические иммунные комплексы биотоксин-антитело. В случае прямого иммуноанализа реакционная среда содержит образец, включающий несколько анализируемых токсинов, и после инкубации микрочипа с образцом регистрируют сигналы ячеек микрочипа, содержащих соответствующее иммобилизованное антитело. Для конкурентного анализа реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит смесь меченых антител ко всем анализируемым биотоксинам или смесь всех анализируемых меченых биотоксинов. В случае сэндвич-иммуноанализа проявление микрочипа после инкубации в реакционной среде, включающей образец, осуществляют смесью меченых антител против всех анализируемых биотоксинов.The proposed method allows simultaneous parallel analysis of several biotoxins in the sample. The microchip for parallel multiple analysis contains immobilized antibodies against several toxins and / or several immobilized biotoxins. An antibody to an individual biotoxin or an individual biotoxin is immobilized in each individual gel cell. After the microchip is incubated in a reaction medium including a sample containing several biotoxins to be analyzed, specific biotoxin-antibody immune complexes are formed. In the case of direct immunoassay, the reaction medium contains a sample comprising several toxins to be analyzed, and after incubation of the microchip with the sample, the signals of the microchip cells containing the corresponding immobilized antibody are recorded. For competitive analysis, the reaction medium in step b) further comprises a mixture of labeled antibodies to all of the analyzed biotoxins or a mixture of all of the analyzed labeled biotoxins. In the case of a sandwich immunoassay, the development of a microchip after incubation in a reaction medium including a sample is carried out with a mixture of labeled antibodies against all of the analyzed biotoxins.

Чувствительность предлагаемого способа обнаружения биологических токсинов не уступает чувствительности плашечного варианта иммуноанализа, например, предел обнаружения рицина сэндвич-иммуноанализом с использованием гелевых микрочипов составил 0,1 нг/мл (Таблица 1).The sensitivity of the proposed method for the detection of biological toxins is not inferior to the sensitivity of the spot version of the immunoassay, for example, the detection limit of ricin by sandwich immunoassay using gel microarrays was 0.1 ng / ml (Table 1).

Предлагаемый способ анализа биотоксинов, основанный на использовании гелевых микрочипов имеет ряд существенных преимуществ перед микрочипами, описанными в литературе: развитая трехмерная гелевая структура обладает гораздо большей емкостью для иммобилизации по сравнению с двумерными микрочипами, что намного увеличивает чувствительность анализа; кроме того, иммобилизованные белки находятся в гидрофильном окружении и отсутствует контакт с гидрофобной поверхностью подложки, что способствует сохранению биологической активности иммобилизованных молекул и обеспечивает высокую стабильность при хранении.The proposed method for the analysis of biotoxins based on the use of gel microarrays has a number of significant advantages over the microarrays described in the literature: the developed three-dimensional gel structure has a much greater capacity for immobilization compared to two-dimensional microarrays, which greatly increases the sensitivity of the analysis; in addition, immobilized proteins are in a hydrophilic environment and there is no contact with the hydrophobic surface of the substrate, which helps to preserve the biological activity of the immobilized molecules and ensures high storage stability.

Краткое описание фигурBrief Description of the Figures

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими фигурами, на которых:The invention is illustrated by the following figures, in which:

Фигура 1 демонстрирует результаты иммуноанализа рицина на микрочипах.Figure 1 shows the results of ricin immunoassay on microarrays.

А. Прямой иммуноанализ. Микрочипы содержали гелевые элементы с иммобилизованными антителами против рицина Rch1, 0,1 мг/мл. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации рицина, меченного Су3, в растворе.A. Direct immunoassay. The microchips contained gel elements with immobilized antibodies against ricin Rch1, 0.1 mg / ml. Dependence of the fluorescence intensity on the concentration of ricin labeled with Cy3 in solution.

Б. Конкурентный анализ. Микрочипы содержали гелевые элементы с иммобилизованным рицином, 0,05 мг/мл. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации рицина в растворе после инкубации рицина с раствором Су3-меченных антител 1RK2, 4 мкг/мл.B. Competitive analysis. Microchips contained gel elements with immobilized ricin, 0.05 mg / ml. Dependence of fluorescence intensity on the concentration of ricin in solution after incubation of ricin with a solution of Cy3-labeled antibodies 1RK2, 4 μg / ml.

В. Сэндвич-анализ с флуоресцентной регистрацией. Микрочипы содержали гелевые элементы с иммобилизованными антителами против рицина Rch1, 0,1 мг/мл; микрочипы после инкубации с растворами рицина проявляли антителами против рицина 1RK1, меченными Су3, 20 мкг/мл. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации рицина в растворе. Врезка на Фиг.1В показывает флуоресцентные сигналы при низких концентрациях рицина. Пунктирная линия соответствует интенсивности флуоресценции в 3 раза выше, чем разброс фонового сигнала; предел обнаружения рицина составил 0,1 нг/мл.B. Sandwich analysis with fluorescence registration. The microchips contained gel elements with immobilized antibodies against ricin Rch1, 0.1 mg / ml; microarrays after incubation with ricin solutions were developed with anti-ricin 1RK1 antibodies labeled with Cy3, 20 μg / ml. Dependence of fluorescence intensity on ricin concentration in solution. The box in FIG. 1B shows fluorescence signals at low ricin concentrations. The dashed line corresponds to fluorescence intensity 3 times higher than the scatter of the background signal; the ricin detection limit was 0.1 ng / ml.

Г. Сэндвич-анализ с хемилюминесцентной регистрацией. Микрочипы содержали гелевые элементы с иммобилизованными антителами против рицина 1RK2, 0,1 мг/мл; микрочипы после инкубации с растворами рицина проявляли биотинилированными антителами против рицина 2RK1 (40 мкг/мл), конъюгатом авидин-пероксидаза (45 мкг/мл) и хемилюминесцентными субстратами пероксидазы. Зависимость интенсивности хемилюминесценции от концентрации рицина в растворе.G. Sandwich analysis with chemiluminescent registration. The microchips contained gel elements with immobilized antibodies against ricin 1RK2, 0.1 mg / ml; microarrays after incubation with ricin solutions showed biotinylated antibodies against ricin 2RK1 (40 μg / ml), an avidin peroxidase conjugate (45 μg / ml) and chemiluminescent peroxidase substrates. Dependence of the intensity of chemiluminescence on the concentration of ricin in solution.

Каждая точка на графиках является средним из четырех параллельных измерений.Each point in the graphs is the average of four parallel measurements.

Фигура 2 демонстрирует MALDI-TOF масс-спектры стафилококкового энтеротоксина В, полученные с гелевых ячеек микрочипа с иммобилизованными моноклональными антителами против этого токсина S222, 0,1 мг/мл, после инкубации микрочипа с раствором токсина. Концентрации биотоксина в растворе 100 (А), 10 (Б) и 1 (В) мкг/мл.Figure 2 shows MALDI-TOF mass spectra of staphylococcal enterotoxin B obtained from gel cells of a microchip with immobilized monoclonal antibodies against this toxin S222, 0.1 mg / ml, after incubation of the microchip with a toxin solution. The concentration of biotoxin in a solution of 100 (A), 10 (B) and 1 (C) μg / ml.

Фигура 3 представляет результаты одновременного анализа нескольких биотоксинов на одном микрочипе. Микрочипы содержали гелевые элементы с иммобилизованными моноклональными антителами против стафилококкового токсина (S222), дифтерийного токсина (7D9), столбнячного токсина (3D2C6), летального фактора сибиреязвенного токсина (10EDG7), рицина (1RK1) и вискумина (TAS). Каждое антитело было иммобилизовано в 4-х гелевых элементах в концентрации 0,1 мг/мл. Флуоресцентные изображения получены после инкубации микрочипа с раствором стафилококкового токсина (чип 1), дифтерийного токсина (чип 2), столбнячного токсина (чип 3), летального фактора сибиреязвенного токсина (чип 4), рицина (чип 5) и вискумина (чип 6) и проявления смесью Су3-меченных моноклональных антител против всех 6 исследуемых биотоксинов (антитела против стафилококкового энтеротоксина В S643, антитела против дифтерийного токсина 2А3, антитела против столбнячного токсина 3D10В11, антитела против летального фактора сибиреязвенного токсина 3B4D9, антитела против рицина Rch1, антитела против вискумина MNA9). Концентрация биотоксинов в растворе 50 нг/мл (для каждого из токсинов), концентрация каждого проявляющего антитела в смеси 20 мкг/мл, общая концентрация меченых антител в смеси 120 мкг/мл.Figure 3 presents the results of the simultaneous analysis of several biotoxins on one microchip. The microchips contained gel elements with immobilized monoclonal antibodies against staphylococcal toxin (S222), diphtheria toxin (7D9), tetanus toxin (3D2C6), lethal anthrax toxin factor (10EDG7), ricin (1RK1) and viscumin (TAS). Each antibody was immobilized in 4 gel cells at a concentration of 0.1 mg / ml. Fluorescence images were obtained after incubating the microchip with a solution of staphylococcal toxin (chip 1), diphtheria toxin (chip 2), tetanus toxin (chip 3), lethal factor anthrax toxin (chip 4), ricin (chip 5) and viscumin (chip 6) and manifestations with a mixture of Su3-labeled monoclonal antibodies against all 6 studied biotoxins (antibodies against staphylococcal enterotoxin B S643, antibodies against diphtheria toxin 2A3, antibodies against tetanus toxin 3D10B11, antibodies against lethal factor anthrax toxin 3B4 D9, antibodies against ricin Rch1, antibodies against viscumin MNA9). The concentration of biotoxins in a solution of 50 ng / ml (for each of the toxins), the concentration of each developing antibody in a mixture of 20 μg / ml, the total concentration of labeled antibodies in a mixture of 120 μg / ml.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Гидрогелевые микрочипы для количественного обнаружения биологических токсинов изготавливаются методом фото- или химически индуцируемой радикальной полимеризации по запатентованной технологии [9]. Микрочип представляет собой упорядоченный массив трехмерных гидрогелевых ячеек на твердой подложке, содержащих иммобилизованные антитела к различным биотоксинам бактериального, растительного и животного происхождения или иммобилизованные биотоксины различной природы. В каждой отдельной ячейке микрочипа иммобилизован индивидуальный лиганд. Связывание лиганда с гидрогелевой матрицей возможно как напрямую при его иммобилизации в процессе формирования геля, так и через образование специфических комплексов авидин (стрептавидин) - биотин, например, иммобилизованный авидин - биотинилированное антитело, или иммобилизованная нитрилотриуксусная кислота - рекомбинантный белок, содержащий полигистидиновый фрагмент и др.Hydrogel microchips for the quantitative detection of biological toxins are made by photo- or chemically induced radical polymerization using a patented technology [9]. The microchip is an ordered array of three-dimensional hydrogel cells on a solid substrate, containing immobilized antibodies to various biotoxins of bacterial, plant and animal origin, or immobilized biotoxins of various nature. An individual ligand is immobilized in each individual cell of the microchip. The binding of a ligand with a hydrogel matrix is possible both directly during its immobilization during gel formation, and through the formation of specific complexes of avidin (streptavidin) - biotin, for example, immobilized avidin - a biotinylated antibody, or immobilized nitrilotriacetic acid - a recombinant protein containing another recombinant protein .

В качестве лигандов используются антитела различных типов, все типы иммуноглобулинов (IgG, IgM, IgA, IgD, IgB), моноклональные антитела, поликлональные антитела, рекомбинантные антитела, различные типы мини-антител, в том числе Fab-фрагменты и одноцепочечные антитела (scFv и другие), а также низкомолекулярные биотоксины и биотоксины белковой природы. Лигандами для образования специфического комплекса с анализируемыми биотоксинами могут являться также аптамеры-молекулы ДНК или РНК, способные к высокоаффинному взаимодействию с соответствующим соединением. Например, получен РНК-аптамер, состоящий из 31 нуклеотида, специфичный к А-цепи рицина [13] и ДНК-аптамеры, специфичные к холерному токсину и стафилококковому энтеротоксину В [14].As the ligands, antibodies of various types, all types of immunoglobulins (IgG, IgM, IgA, IgD, IgB), monoclonal antibodies, polyclonal antibodies, recombinant antibodies, various types of mini-antibodies, including Fab fragments and single chain antibodies (scFv and others), as well as low molecular weight biotoxins and biotoxins of protein nature. Ligands for the formation of a specific complex with the analyzed biotoxins can also be DNA or RNA aptamers capable of high-affinity interaction with the corresponding compound. For example, an RNA aptamer consisting of 31 nucleotides specific for ricin A chain [13] and DNA aptamers specific for cholera toxin and staphylococcal enterotoxin B [14] were obtained.

[13] J.R.Hesselberth, D.Miller, J.Robertus, A.D.Ellmgton. In vitro selection of RNA molecules that inhibit the activity of ricin A-chain, J. Biol Chem., 2000, 275, 4937-4942.[13] J.R. Hesselberth, D. Miller, J. Robertus, A. D. Ellmgton. In vitro selection of RNA molecules that inhibit the activity of ricin A-chain, J. Biol Chem., 2000, 275, 4937-4942.

[14] J.G.Bruno, J.L.Kiel. Use of magnetic beads in selection and detection of biotoxin aptamers by electrochemiluminescence and enzymatic methods, Biotechniques, 2002, 32, 178-183.[14] J. G. Bruno, J. L. Kiel. Use of magnetic beads in selection and detection of biotoxin aptamers by electrochemiluminescence and enzymatic methods, Biotechniques, 2002, 32, 178-183.

Используемый для изготовления микрочипов метод полимеризационной иммобилизации позволяет получать микрочипы, содержащие иммобилизованные ДНК, РНК и белки [9-12].The method of polymerization immobilization used for the manufacture of microchips allows one to obtain microchips containing immobilized DNA, RNA, and proteins [9-12].

Тип используемых для иммобилизации соединений зависит от анализируемого объекта и способа проведения анализа (прямой, конкурентный, сэндвич-анализ и др.).The type of compounds used for immobilization depends on the analyzed object and the method of analysis (direct, competitive, sandwich analysis, etc.).

Способ проведения количественного обнаружения биотоксинов с использованием гидрогелевых микрочипов включает следующие стадии:The method for quantitative detection of biotoxins using hydrogel microarrays includes the following steps:

а) изготовление биологического микрочипа, представляющего собой упорядоченный массив трехмерных гидрогелевых ячеек на твердой подложке, полученных методом фото- или химически индуцированной полимеризации и содержащих иммобилизованные антитела к различным биотоксинам бактериального, растительного и животного происхождения или биотоксины, причем в каждой отдельной ячейке иммобилизовано антитело к индивидуальному биотоксину или индивидуальный биотоксин;a) the manufacture of a biological microchip, which is an ordered array of three-dimensional hydrogel cells on a solid substrate, obtained by photo- or chemically induced polymerization and containing immobilized antibodies to various biotoxins of bacterial, plant and animal origin or biotoxins, and an antibody to an individual is immobilized in each individual cell biotoxin or individual biotoxin;

б) инкубацию микрочипа в реакционной среде, включающей образец, содержащий подлежащие анализу биотоксины, для образования иммунных комплексов биотоксин-антитело, которую при необходимости проводят в условиях перемешивания;b) incubation of the microchip in a reaction medium including a sample containing biotoxins to be analyzed for the formation of biotoxin-antibody immune complexes, which, if necessary, is carried out under stirring conditions;

в) детекцию образовавшегося комплекса;c) detection of the resulting complex;

г) количественное обнаружение анализируемого биотоксина.d) quantitative detection of the analyzed biotoxin.

В качестве реакционной среды при проведении анализа используют буферные растворы, которые обычно применяются в иммуноанализе, например 0,01 М фосфатный буфер рН 7,2, содержащий 0,15 М NaCl, 0,05 М трис-HCl, рН 7,4, и др. Для уменьшения неспецифических взаимодействий в реакционную среду добавляют поливиниловый спирт, бычий сывороточный альбумин и сахарозу, белки сухого молока и др. (так называемые "блокировочные буферы", которые хорошо известны специалистам в данной области).As the reaction medium during the analysis, buffer solutions are used, which are usually used in immunoassays, for example, 0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, containing 0.15 M NaCl, 0.05 M Tris-HCl, pH 7.4, and etc. To reduce nonspecific interactions, polyvinyl alcohol, bovine serum albumin and sucrose, milk powder proteins and others (the so-called "blocking buffers", which are well known to specialists in this field) are added to the reaction medium.

Способ количественного обнаружения биотоксинов может быть осуществлен в виде различных типов иммуноанализа, например, прямого, конкурентного и сэндвич-иммуноанализа (Пример 1). Для прямого иммуноанализа микрочип содержит иммобилизованные антитела против анализируемого биотоксина, а реакционная среда на стадии б) содержит анализируемый биотоксин, который образует специфический иммунный комплекс с иммобилизованными антителами. При флуоресцентной регистрации анализируемый биотоксин содержит флуоресцентную метку, при хемилюминесцентной регистрации биотоксин представляет собой конъюгат с белком или другим соединением, способным участвовать в реакциях, приводящих к излучению света (хеми- или биолюминесценции). Регистрируемый флуоресцентный или хемилюминесцентный сигнал ячеек микрочипа с иммобилизованными антителами пропорционален концентрации биотоксина (Пример 1, Фиг.1А). Способы введения флуоресцентной метки или получения конъюгатов с белком или другим соединением хорошо известны в данной области. В частности, можно использовать процедуры, описанные в G.T.Hermanson, Bioconjugate Techniques, Academic Press, San Diego, 1996. В случае масс-спектральной детекции не требуется введения дополнительной метки.A method for the quantitative detection of biotoxins can be carried out in the form of various types of immunoassay, for example, direct, competitive and sandwich immunoassay (Example 1). For direct immunoassay, the microchip contains immobilized antibodies against the analyzed biotoxin, and the reaction medium in stage b) contains the analyzed biotoxin, which forms a specific immune complex with immobilized antibodies. In fluorescence registration, the analyzed biotoxin contains a fluorescent label; in chemiluminescent registration, biotoxin is a conjugate with a protein or other compound capable of participating in reactions leading to light emission (chemiluminescence or bioluminescence). The recorded fluorescent or chemiluminescent signal of the microchip cells with immobilized antibodies is proportional to the concentration of biotoxin (Example 1, Fig. 1A). Methods for introducing a fluorescent label or for conjugating to a protein or other compound are well known in the art. In particular, the procedures described in G. T. Hermanson, Bioconjugate Techniques, Academic Press, San Diego, 1996 can be used. In the case of mass spectral detection, no additional label is required.

Конкурентный анализ проводят с использованием микрочипа с иммобилизованными биотоксинами или иммобилизованными антителами. В первом варианте реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит флуоресцентно-меченные антитела к анализируемому биотоксину (или соответствующие конъюгаты антител). Реакционную смесь перед нанесением на микрочип инкубируют со стандартным или анализируемым образцом. При инкубации микрочипа с реакционной смесью происходит конкуренция меченых антител за связывание с биотоксином в растворе и биотоксином, иммобилизованным на микрочипе. Регистрируемый флуоресцентный или хемилюминесцентный сигнал ячеек микрочипа с иммобилизованными биотоксинами тем выше, чем меньше концентрация анализируемого токсина в образце (Пример 1, Фиг.1Б)Competitive analysis is carried out using a microchip with immobilized biotoxins or immobilized antibodies. In a first embodiment, the reaction medium in step b) further comprises fluorescently-labeled antibodies to the biotoxin to be analyzed (or corresponding antibody conjugates). The reaction mixture is incubated with a standard or assayed sample before application to the microchip. When the microchip is incubated with the reaction mixture, labeled antibodies compete for binding to the biotoxin in solution and the biotoxin immobilized on the microchip. The recorded fluorescent or chemiluminescent signal of the microchip cells with immobilized biotoxins is the higher, the lower the concentration of the analyzed toxin in the sample (Example 1, Fig.1B)

В другом варианте конкурентного анализа микрочип содержит иммобилизованные антитела, а реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит флуоресцентно-меченный биотоксин (или соответствующий конъюгат биотоксина). Происходит конкуренция между меченым и немеченым биотоксином за связывание с иммобилизованными антителами. Регистрируемый флуоресцентный или хемилюминесцентный сигнал ячеек микрочипа с иммобилизованными антителами тем выше, чем меньше концентрация анализируемого токсина в образце.In another embodiment of a competitive assay, the microchip contains immobilized antibodies, and the reaction medium in step b) further contains a fluorescently-labeled biotoxin (or the corresponding biotoxin conjugate). There is a competition between labeled and unlabeled biotoxin for binding to immobilized antibodies. The recorded fluorescent or chemiluminescent signal of the microchip cells with immobilized antibodies is the higher, the lower the concentration of the analyzed toxin in the sample.

В случае сэндвич-иммуноанализа микрочип содержит иммобилизованные антитела, реакционная среда на стадии б) содержит анализируемый биотоксин, который образует специфический комплекс с иммобилизованными на чипе антителами. После образования комплекса микрочип проявляют флуоресцентно-меченными антителами (или соответствующими конъюгатами антител), специфичными к другому эпитопу данного биотоксина. Регистрируемый флуоресцентный или хемилюминесцентный сигнал ячеек микрочила с иммобилизованными антителами пропорционален концентрации биотоксина (Пример 1, Фиг.1В, Г).In the case of a sandwich immunoassay, the microchip contains immobilized antibodies, the reaction medium in step b) contains the analyzed biotoxin, which forms a specific complex with antibodies immobilized on the chip. After complex formation, the microchip is developed with fluorescently-labeled antibodies (or corresponding antibody conjugates) specific for another epitope of the given biotoxin. The recorded fluorescent or chemiluminescent signal of the microchill cells with immobilized antibodies is proportional to the concentration of biotoxin (Example 1, Fig. 1B, D).

Прямой и конкурентный анализы на микрочипах можно проводить для токсинов как белковой природы, так и для низкомолекулярных токсинов. Сэндвич-вариант иммуноанализа возможен, как правило, только для биотоксинов белковой природы, для которых можно получить антитела, специфичные к разным эпитопам белковой молекулы (иммобилизованные связывающие антитела и проявляющие меченые антитела).Direct and competitive microchip assays can be performed for toxins of both protein nature and low molecular weight toxins. The sandwich variant of immunoassay is possible, as a rule, only for protein biotoxins, for which antibodies specific for different epitopes of the protein molecule can be obtained (immobilized binding antibodies and showing labeled antibodies).

Количественное обнаружение биотоксинов осуществляют путем проведения стадий а)-в) с известными концентрациями анализируемого биотоксина и построения калибровочной зависимости, по которой определяют количество анализируемого биотоксина в образце. Для всех вариантов анализа строят калибровочный график зависимости интенсивности флуоресцентного или хемилюминесцентного сигнала соответствующих гелевых ячеек микрочипа от известной концентраций биотоксина в стандартном (эталонном) растворе. Неизвестную концентрацию биотоксина в образце определяют из калибровочной кривой по значению интенсивности сигнала, полученного после взаимодействия анализируемого образца с микрочипом. Предел обнаружения биотоксина определяют как концентрацию, соответствующую интенсивности флуоресцентного/хемилюминесцентного сигнала, в 3 раза превышающего разброс фонового сигнала.Quantitative detection of biotoxins is carried out by carrying out stages a) -c) with known concentrations of the analyzed biotoxin and constructing a calibration dependence by which the amount of the analyzed biotoxin in the sample is determined. For all analysis options, a calibration graph is plotted for the intensity of the fluorescent or chemiluminescent signal of the corresponding gel cells of the microchip on the known concentrations of biotoxin in a standard (reference) solution. The unknown concentration of biotoxin in the sample is determined from the calibration curve by the value of the signal intensity obtained after the interaction of the analyzed sample with a microchip. The biotoxin detection limit is defined as the concentration corresponding to the intensity of the fluorescent / chemiluminescent signal, 3 times the spread of the background signal.

Регистрацию результатов иммуноанализа биотоксинов с использованием гелевых микрочипов можно проводить несколькими методами: по интенсивности флуоресценции; по интенсивности хемилюминесценции; масс-спектрометрией непосредственно с гелевых элементов микрочипа.The results of the immunoassay of biotoxins using gel microarrays can be recorded by several methods: by fluorescence intensity; by chemiluminescence intensity; mass spectrometry directly from the gel elements of the microchip.

При регистрации результатов по интенсивности флуоресценции используют антитела против биотоксинов и биотоксины, меченные флуоресцентными красителями, например, такими как Техасский красный, тетраметилродамин, флуоресцеин, цианиновый 3 и 5 (Су3, Су5), но не ограничиваясь ими. Регистрацию флуоресцентных сигналов с ячеек микрочипа проводят с помощью флуоресцентных микроскопов или сканирующих микроскопов различных типов, позволяющих регистрировать сигнал с используемой флуоресцентной метки.When recording results on the fluorescence intensity, antibodies against biotoxins and biotoxins labeled with fluorescent dyes, for example, such as Texas Red, tetramethylrodamine, fluorescein, cyanine 3 and 5 (Cy3, Cy5), are used, but not limited to them. The registration of fluorescence signals from the cells of the microchip is carried out using fluorescence microscopes or scanning microscopes of various types, allowing you to record the signal from the used fluorescent label.

При регистрации результатов по интенсивности хемилюминесценции используют конъюгаты антител, биотоксинов или авидина (для биотинилированных белков), например, с такими ферментами, как пероксидаза хрена, щелочная фосфатаза, β-галактозидаза, люцифераза, но не ограничиваясь ими, дающими хемилюминесцентные сигналы в результате соответствующих ферментативных реакций, например, катализируемом пероксидазой окислении люминола перекисью водорода. Хемилюминесцентные сигналы регистрируют с помощью CCD-камер или других регистрирующих устройств, в частности флуоресцентных микроскопов при выключенном источнике возбуждающего света.When recording results on the intensity of chemiluminescence, conjugates of antibodies, biotoxins or avidin are used (for biotinylated proteins), for example, with such enzymes as horseradish peroxidase, alkaline phosphatase, β-galactosidase, luciferase, but not limited to them, giving chemiluminescent signals as a result of the corresponding enzyme reactions, for example, peroxidase-catalyzed oxidation of luminol by hydrogen peroxide. Chemiluminescent signals are recorded using CCD cameras or other recording devices, in particular fluorescence microscopes with the excitation light source turned off.

Для регистрации результатов с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрии разработана методика получения MALDI TOF масс-спектров непосредственно с гелевых ячеек микрочипа. Процедура регистрации результатов анализа в этом случае включает обработку микрочипа раствором, разрушающим комплекс, образованный исследуемым биотоксином с иммобилизованным на чипе антителом против этого токсина (элюирование биотоксина с ячейки микрочипа), прямой масс-спектральный анализ непосредственно с гелевого элемента и идентификацию биотоксина по его молекулярной массе (Пример 2, Фиг.2).To register the results using MALDI-TOF mass spectrometry, a technique was developed for obtaining MALDI TOF mass spectra directly from the gel cells of the microchip. The procedure for recording the analysis results in this case includes processing the microchip with a solution that destroys the complex formed by the biotoxin under study with an antibody against this toxin immobilized on a chip (biotoxin is eluted from the microchip cell), direct mass spectral analysis directly from the gel element and identification of biotoxin by its molecular weight (Example 2, Figure 2).

Пример 3 показывает результаты иммуноанализа 6 различных биологических токсинов на гидрогелевых микрочипах. Способ количественного обнаружения биотоксинов с использованием гидрогелевых микрочипов характеризуется высокой чувствительностью, не уступающей чувствительности стандартных иммунологических методов: для рицина предел обнаружения составил 0,1 нг/мл.Example 3 shows the results of an immunoassay of 6 different biological toxins on hydrogel microarrays. The method of quantitative detection of biotoxins using hydrogel microarrays is characterized by high sensitivity, not inferior to the sensitivity of standard immunological methods: for ricin, the detection limit was 0.1 ng / ml.

Предлагаемый способ количественного обнаружения биотоксинов с использованием гидрогелевых микрочипов позволяет проводить одновременный параллельный анализ образцов на наличие нескольких токсинов, что резко увеличивает эффективность обнаружения и значительно снижает количество исследуемого материала: для анализа достаточно 20 мкл исследуемого образца. Микрочип для параллельного множественного анализа содержит иммобилизованные антитела против нескольких токсинов и/или несколько иммобилизованных биотоксинов. В случае прямого иммуноанализа реакционная среда содержит образец, включающий один или несколько анализируемых токсинов, и после инкубации микрочипа с образцом регистрируют сигналы ячеек микрочипа, содержащих соответствующие иммобилизованные антитела. Для конкурентного анализа реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит смесь меченых антител ко всем анализируемым биотоксинам или смесь всех анализируемых меченых биотоксинов. В случае сэндвич-иммуноанализа проявление микрочипа после инкубации в реакционной среде, содержащей образец, осуществляют смесью меченых антител против всех анализируемых биотоксинов. В Примере 4 продемонстрировано проведение одновременного сэндвич-анализа 6 различных биологических токсинов на одном микрочипе при проявлении микрочипа смесью 6 флуоресцентно-меченных антител. Чувствительность параллельного анализа оказалась не меньше, чем чувствительность для определения одного токсина.The proposed method for the quantitative detection of biotoxins using hydrogel microarrays allows simultaneous parallel analysis of samples for the presence of several toxins, which dramatically increases the detection efficiency and significantly reduces the amount of test material: 20 μl of the test sample is sufficient for analysis. The microchip for parallel multiple analysis contains immobilized antibodies against several toxins and / or several immobilized biotoxins. In the case of direct immunoassay, the reaction medium contains a sample comprising one or more of the analyzed toxins, and after incubation of the microchip with the sample, the signals of the microchip cells containing the corresponding immobilized antibodies are recorded. For competitive analysis, the reaction medium in step b) further comprises a mixture of labeled antibodies to all of the analyzed biotoxins or a mixture of all of the analyzed labeled biotoxins. In the case of a sandwich immunoassay, the manifestation of the microchip after incubation in the reaction medium containing the sample is carried out with a mixture of labeled antibodies against all of the analyzed biotoxins. Example 4 demonstrated the simultaneous sandwich analysis of 6 different biological toxins on a single microchip during the development of the microchip with a mixture of 6 fluorescently-labeled antibodies. The sensitivity of the parallel analysis was no less than the sensitivity for determining one toxin.

При необходимости стадию инкубации микрочипа в реакционной среде, включающей образец, содержащий подлежащие анализу биотоксины (стадия б) проводят в условиях перемешивания, которое значительно уменьшает время проведения анализа (Пример 5). Перемешивание можно осуществлять, например, путем переключения направления потока реакционного раствора с прямого на обратное с помощью насосов различного типа, ультразвуком, электрофорезом, но не ограничиваясь указанными способами.If necessary, the stage of incubation of the microchip in a reaction medium including a sample containing the biotoxins to be analyzed (stage b) is carried out under stirring conditions, which significantly reduces the analysis time (Example 5). Mixing can be carried out, for example, by switching the direction of flow of the reaction solution from direct to reverse using various types of pumps, ultrasound, electrophoresis, but not limited to these methods.

Преимуществом гидрогелевых микрочипов по сравнению с описанными в литературе двумерными чипами является гидрофильное окружение иммобилизованных в геле молекул и отсутствие контакта с гидрофобной поверхностью подложки, что особенно важно для белковых молекул. Гидрофильное окружение способствует сохранению биологической активности белков и ферментов и обеспечивает их стабилизацию при хранении. Микрочипы с иммобилизованными антителами стабильны, по крайней мере, в течение полугода при хранении в присутствии глицерина при 10°С (Пример 6).The advantage of hydrogel microchips in comparison with the two-dimensional chips described in the literature is the hydrophilic environment of molecules immobilized in the gel and the absence of contact with the hydrophobic surface of the substrate, which is especially important for protein molecules. The hydrophilic environment helps to preserve the biological activity of proteins and enzymes and ensures their stabilization during storage. Microchips with immobilized antibodies are stable for at least six months when stored in the presence of glycerol at 10 ° C (Example 6).

Далее изобретение иллюстрируется конкретными воплощениями, которые приводятся исключительно для целей наглядности. Не предполагается, что приводимые примеры являются исчерпывающими или ограничивают изобретение конкретными раскрытыми формами, и очевидно, что возможно множество модификаций и вариаций, не отклоняющихся от духа изобретения и не выходящие за рамки формулы изобретения.The invention is further illustrated by specific embodiments, which are provided for illustrative purposes only. The examples cited are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the particular forms disclosed, and it is obvious that many modifications and variations are possible without departing from the spirit of the invention and without departing from the scope of the claims.

Пример 1. Количественный иммуноанализ рицина с использованием гидрогелевых микрочиповExample 1. Quantitative immunoassay of ricin using hydrogel microarrays

Гидрогелевые микрочипы, содержащие иммобилизованные антитела против рицина и рицин, получали по ранее запатентованной технологии полимеризационной иммобилизации [9]. Для уменьшения неспецифических взаимодействий во всех вариантах анализа микрочипы предварительно инкубировали в 0,01 М фосфатном буфере, рН 7,2, содержащем 0,15 М NaCl, 1% поливинилового спирта (ПВС-50) или 3% бычьего сывороточного альбумина (БСА) и 4% сахарозы ("блокировочный буфер"), 2 ч при комнатной температуре. Перед проведением анализа растворы рицина (образца) разбавляли 0,01 М фосфатным буфером, рН 7,2, содержащим 0,15 М NaCl, 0,15% ПВС-50 и 0,15% поливинилпирролидона 360 (ПВП-360).Hydrogel microarrays containing immobilized antibodies against ricin and ricin were obtained using the previously patented technology of polymerization immobilization [9]. To reduce nonspecific interactions in all assays, microarrays were preincubated in 0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, containing 0.15 M NaCl, 1% polyvinyl alcohol (PVA-50) or 3% bovine serum albumin (BSA) and 4% sucrose (“blocking buffer”), 2 hours at room temperature. Before analysis, the solutions of ricin (sample) were diluted with 0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, containing 0.15 M NaCl, 0.15% PVA-50 and 0.15% polyvinylpyrrolidone 360 (PVP-360).

Прямой иммуноанализ. К микрочипам, содержащим гелевые элементы с иммобилизованными моноклональными антителами против рицина Rch1 и других биотоксинов (антитела против стафилококкового энтеротоксина В S222, антитела против столбнячного токсина 3D2C6, антитела против дифтерийного токсина 7D9, для контроля перекрестных взаимодействий концентрация иммобилизованных в геле антител 0,1 мг/мл), добавляли по 20 мкл растворов рицина, меченного Су3, и выдерживали при 10°С в течение ночи. После отмывки микрочипов 0,01 М фосфатным буфером, рН 7,2, 0,15 М NaCl, 0,1% Твин-20 (15 мин, комнатная температура) измеряли интенсивность флуоресцентных сигналов гелевых элементов микрочипов.Direct immunoassay. To microchips containing gel elements with immobilized monoclonal antibodies against ricin Rch1 and other biotoxins (antibodies against staphylococcal enterotoxin B S222, antibodies against tetanus toxin 3D2C6, antibodies against diphtheria toxin 7D9, 0.1 mg / g antibody immobilized to control cross-reactions in g ml), 20 μl of solutions of ricin labeled with Cy3 were added and kept at 10 ° С overnight. After washing the microchips with 0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, 0.15 M NaCl, 0.1% Tween-20 (15 min, room temperature), the intensity of the fluorescent signals of the gel elements of the microchips was measured.

Для конкурентного анализа использовали микрочип с иммобилизованным рицином (0,1 мг/мл). Раствор, содержащий определяемый рицин, инкубировали с раствором Су3-меченных моноклональных антител против рицина 1RK2 (4 мкг/мл) в течение 2-х ч при 37°С и перемешивании. Смесь (20 мкл) после инкубации наносили на микрочип и выдерживали 2 час при 37°. После отмывки (0,01 М фосфатный буфер, рН 7,2, 0,15 М NaCl, 0,1% Твин-20, 15 мин, комнатная температура) измеряли интенсивность флуоресцентных сигналов.For competitive analysis, a microchip with immobilized ricin (0.1 mg / ml) was used. A solution containing detectable ricin was incubated with a solution of Cy3-labeled anti-ricin 1RK2 monoclonal antibody (4 μg / ml) for 2 hours at 37 ° C with stirring. The mixture (20 μl) after incubation was applied to the microchip and kept for 2 hours at 37 °. After washing (0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, 0.15 M NaCl, 0.1% Tween-20, 15 min, room temperature), the intensity of the fluorescent signals was measured.

В сэндвич-варианте иммуноанализа изготавливали микрочипы с иммобилизованными моноклональными антителами против рицина 1RK2 и других биотоксинов (антитела против стафилококкового энтеротоксина В S222, антитела против столбнячного токсина 3D2C6, антитела против дифтерийного токсина 7D9, для контроля перекрестных взаимодействий (концентрация иммобилизованных в геле антител 0,1 мг/мл), добавляли 20 мкл раствора рицина и чипы инкубировали при 10°С в течение ночи. После кратковременной (15 мин) отмывки 0,01 М фосфатным буфером, рН 7,2, 0,15 М NaCl, 0,1% Твин-20, микрочипы проявляли Су3-меченными антителами 1RK1, специфичными к другому эпитопу антигена, 20 мкг/мл (флуоресцентная детекция), 40 мин, комнатная температура. После отмывки (0,01 М фосфатный буфер, рН 7,2, 0,15 М NaCl, 0,1% Твин-20, 15 мин, комнатная температура) измеряли интенсивность флуоресцентных сигналов. При хемилюминесцентной детекции на микрочип после взаимодействия с рицином наносили 20 мкл биотинилированных антител против рицина 2RK1 с концентрацией 40 мкг/мл, а затем 20 мкл конъюгата авидина с пероксидазой хрена с концентрацией 45 мкг/мл и хемилюминесцентные субстраты пероксидазы (люминол, Н2O2); детектировали хемилюминесцентный сигнал в течение 60 сек.In the sandwich version of the immunoassay, microarrays were made with immobilized monoclonal antibodies against ricin 1RK2 and other biotoxins (antibodies against staphylococcal enterotoxin B S222, antibodies against tetanus toxin 3D2C6, antibodies against diphtheria toxin 7D9, for the control of cross-linking antibodies 0.1 g ( mg / ml), 20 μl of ricin solution was added and the chips were incubated at 10 ° C overnight After short-term (15 min) washing with 0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, 0.15 M NaCl, 0.1% Twin-20, mic the plots showed Cy3-labeled 1RK1 antibodies specific for another epitope of antigen, 20 μg / ml (fluorescence detection), 40 min, room temperature. After washing (0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, 0.15 M NaCl, 0.1% Tween-20, 15 min, room temperature), the intensity of the fluorescent signals was measured.With chemiluminescent detection, 20 μl of biotinylated anti-ricin 2RK1 antibodies with a concentration of 40 μg / ml were applied to the microchip after interaction with ricin, and then 20 μl of Avidin C conjugate horseradish peroxidase with a concentration of 45 μg / ml and chemiluminescent s substrates of peroxidase (luminol, H 2 O 2); a chemiluminescent signal was detected for 60 seconds.

Антитела против рицина и рицин, меченные Су3, а также биотинилированнные антитела и конъюгат авидин-пероксидаза получали по известным методикам, описанным, например, в [15].Antibodies against ricin and ricin labeled with Cy3, as well as biotinylated antibodies and the avidin peroxidase conjugate, were obtained by known methods described, for example, in [15].

[15] G.T.Hermanson, Bioconjugate Techniques, Academic Press, San Diego, 1996.[15] G. T. Hermanson, Bioconjugate Techniques, Academic Press, San Diego, 1996.

Для измерения флуоресцентных сигналов использовали флуоресцентный микроскоп, снабженный CCD камерой и компьютерными программами для визуализации изображения и обработки полученных данных, разработанный в лаборатории биочипов ИМБ РАН [16].To measure fluorescent signals, a fluorescence microscope equipped with a CCD camera and computer programs for image visualization and processing of the obtained data was used, developed at the biochip laboratory of the IMB RAS [16].

[16] V.Barsky, A.Perov, S.Tokalov, A.Chudinov, E.Kreindlin, A.Sharonov, E.Kotova, A.Mirzabekov. Fluorescence data analysis on gel-based biochips, J. Biomol. Screening, 2002, 7, 247-257.[16] V. Barsky, A. Perov, S. Tokalov, A. Chudinov, E. Kreindlin, A. Sharonov, E. Kotova, A. Mirzabekov. Fluorescence data analysis on gel-based biochips, J. Biomol. Screening, 2002, 7, 247-257.

Микроскоп позволяет одновременно анализировать данные со всех элементов микрочипа и получать двумерное и трехмерное изображения флуоресцентного сигнала с гелевых элементов. Для измерения хемилюминесцентных сигналов использовали тот же флуоресцентный микроскоп с выключенным источником возбуждения.The microscope allows you to simultaneously analyze data from all elements of the microchip and to obtain two-dimensional and three-dimensional images of the fluorescent signal from the gel elements. The chemiluminescent signals were measured using the same fluorescence microscope with the excitation source turned off.

Для всех вариантов анализа строили график зависимости интенсивности флуоресценции или хемилюминесценции от концентрации рицина в растворе (Фиг.1). Предел обнаружения рицина рассчитывали как концентрацию, соответствующую интенсивности сигнала, в 3 раза превышающего разброс фонового сигнала.For all analysis options, a graph of the dependence of the fluorescence intensity or chemiluminescence on the concentration of ricin in solution was constructed (Figure 1). The ricin detection limit was calculated as the concentration corresponding to the signal intensity, 3 times the background signal spread.

Для прямого анализа рицина наблюдали зависимость интенсивности флуоресценции гелевых ячеек микрочипа от концентрации Су3-меченного рицина в диапазоне концентраций 0,2-500 нг/мл, линейная зависимость наблюдалась в диапазоне концентраций 0,2-60 нг/мл (Фиг.1А), предел обнаружения составил 0,2 нг/мл.For direct analysis of ricin, a dependence of the fluorescence intensity of the microarray gel cells on the concentration of Cy3-labeled ricin in the concentration range of 0.2-500 ng / ml was observed, a linear dependence was observed in the concentration range of 0.2-60 ng / ml (Fig. 1A), limit detection rate was 0.2 ng / ml.

В случае конкурентного анализа интенсивность флуоресценции гелевых ячеек микрочипа была обратно пропорциональна концентрации рицина в растворе (Фиг.1Б), и предел обнаружения составил 4 нг/мл.In the case of competitive analysis, the fluorescence intensity of the gel cells of the microarray was inversely proportional to the concentration of ricin in the solution (Fig. 1B), and the detection limit was 4 ng / ml.

Калибровочные графики для сэндвич-анализа рицина с флуоресцентной и хемилюминесцентной детекцией показаны на Фиг.1В и Г. Зависимость интенсивности флуоресценции и хемилюминесценции гелевых ячеек микрочипа от концентрации рицина наблюдали в диапазоне концентраций рицина 0,1-500 нг/мл (флуоресцентная детекция) и 0,7-500 нг/мл (хемилюминесцентная детекция). Врезка на Фиг.1В иллюстрирует определение предела детекции: пунктирная линия соответствует интенсивности флуоресценции, в три раза превышающей разброс фонового сигнала, таким образом, наименьшая концентрация рицина, надежно определяемая данным методом, составляет 0,1 нг/мл. Для иммуноферментного анализа рицина на микрочипе с хемилюминесцентной детекцией предел обнаружения был 0,7 нг/мл.Calibration plots for ricin sandwich analysis with fluorescence and chemiluminescent detection are shown in Figs. 1B and D. The dependence of the fluorescence intensity and chemiluminescence of the microarray gel cells on the ricin concentration was observed in the range of ricin concentrations of 0.1-500 ng / ml (fluorescent 0 7-500 ng / ml (chemiluminescent detection). The inset in Fig. 1B illustrates the determination of the detection limit: the dashed line corresponds to a fluorescence intensity three times the background signal spread, so the lowest ricin concentration reliably determined by this method is 0.1 ng / ml. For enzyme-linked immunosorbent assay of ricin on a microchip with chemiluminescent detection, the detection limit was 0.7 ng / ml.

При данных условиях проведения анализа, в частности при используемых нами процедурах блокировки и отмывки микрочипов, неспецифические сигналы, т.е., сигналы от ячеек микрочипа, содержащих антитела к другим токсинам, не отличались от фоновых или от сигналов пустых гелевых элементов.Under these conditions of the analysis, in particular, with the microchip blocking and washing procedures used by us, nonspecific signals, i.e., signals from microchip cells containing antibodies to other toxins, did not differ from background or from signals of empty gel elements.

Пример 2. Идентификация белков на гелевом элементе микрочипа путем прямого масс-спектрального анализа. Прямой анализ стафилококкового энтеротоксина В на микрочипе с масс-спектральной регистрациейExample 2. Identification of proteins on the gel element of the microarray by direct mass spectral analysis. Direct analysis of staphylococcal enterotoxin B on a microchip with mass spectral registration

Изготовлен микрочип, содержащий в гелевых ячейках иммобилизованные моноклональные антитела к стафилококковому энтеротоксину В S222 (0,1 мкг антител/ячейка геля). После полимеризации микрочип промывали 0,01 М фосфатным буфером, содержащим 0,15 М NaCl, 0,1% Твин-20, при перемешивании в течение 1 ч (20°С). Микрочип инкубировали с раствором стафилококкового энтеротоксина в 0,01 М фосфатном буфере, рН 7,2, содержащем 0,15 M NaCl (20 ч, 20°С), и далее отмывали от неспецифически связавшегося с гелем белка сначала обработкой 0,01 М фосфатным буфером, рН 7,2, содержащем 0,15 М NaCl, 0,1% Твин-20 (2 ч при перемешивании, 20°С), затем водой. Перед проведением масс-спектрального анализа разрушали комплекс антиген-антитело и элюировали антиген на поверхность геля добавлением в каждую ячейку микрочипа 1 мкл насыщенного раствора матрицы для MALDI мониторинга (синапиновая кислота) в растворе 10% муравьиной кислоты в 30%-ном водном ацетонитриле. Микрочип выдерживали 20 мин при комнатной температуре во влажной камере, затем высушивали на нагревательном столике при 40°С.A microchip was prepared containing immobilized monoclonal antibodies to staphylococcal enterotoxin B S222 in gel cells (0.1 μg of antibody / gel cell). After polymerization, the microchip was washed with 0.01 M phosphate buffer containing 0.15 M NaCl, 0.1% Tween-20, with stirring for 1 h (20 ° C). The microchip was incubated with a solution of staphylococcal enterotoxin in 0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, containing 0.15 M NaCl (20 h, 20 ° C), and then washed from a protein that was not specifically bound to the gel, first by treatment with 0.01 M phosphate buffer, pH 7.2, containing 0.15 M NaCl, 0.1% Tween-20 (2 hours with stirring, 20 ° C), then with water. Prior to mass spectral analysis, the antigen-antibody complex was destroyed and the antigen was eluted onto the gel surface by adding 1 μl of a saturated MALDI monitoring matrix solution (sinapic acid) in a solution of 10% formic acid in 30% aqueous acetonitrile to each microarray cell. The microchip was kept for 20 min at room temperature in a humid chamber, then dried on a heating table at 40 ° C.

Масс-спектры, полученные непосредственно с гелевых элементов микрочипа, после взаимодействия с растворами стафилококкового токсина различной концентрации, показаны на Фиг.2. Стафилококковый энтеротоксин В идентифицировали по его молекулярной массе, равной 28400 Да. Как видно из чертежа, наблюдается количественная корреляция между абсолютной интенсивностью пиков молекулярных ионов и концентрацией энтеротоксина в интервале концентраций 1-100 мкг/мл. Масс-спектры с гелевых ячеек, не содержащих антитела к этому токсину, но инкубированных с раствором антигена, не содержали вышеупомянутых пиков.Mass spectra obtained directly from the gel elements of the microchip, after interaction with staphylococcal toxin solutions of various concentrations, are shown in FIG. 2. Staphylococcal enterotoxin B was identified by its molecular weight of 28,400 Da. As can be seen from the drawing, there is a quantitative correlation between the absolute intensity of the peaks of molecular ions and the concentration of enterotoxin in the concentration range of 1-100 μg / ml. Mass spectra from gel cells that did not contain antibodies to this toxin, but incubated with antigen solution, did not contain the above peaks.

Пример 3. Количественный иммуноанализ различных биологических токсинов с использованием гидрогелевых микрочиповExample 3. Quantitative immunoassay of various biological toxins using hydrogel microarrays

Результаты количественного иммуноанализа различных биологических токсинов на гелевых микрочипах, полученных методом полимеризационной иммобилизации, показаны в Таблице 1. Кроме иммуноанализа рицина, описанного в Примере 1, был проведен анализ вискумина, стафилококкового энтеротоксина В, столбнячного токсина, дифтерийного токсина и летального фактора сибиреязвенного токсина. Прямой, конкурентный и сэндвич-иммуноанализ с флуоресцентной и хемилюминесцентной регистрацией проводили по методикам, описанным в Примере 1, с использованием антител, указанных в Таблице 1. В таблице 1 также указан интервал концентраций, при которой наблюдали зависимость интенсивности флуоресцентного или хемилюминесцентного сигнала гелевых ячеек микрочипа от концентрации биотоксина; нижний предел интервала соответствует пределу обнаружения, рассчитанному, как описано в Примере 1.The results of the quantitative immunoassay of various biological toxins on gel microarrays obtained by polymerization immobilization are shown in Table 1. In addition to the immunoassay of ricin described in Example 1, an analysis was made of viscumin, staphylococcal enterotoxin B, tetanus toxin, diphtheria toxin and lethal factor sib. Direct, competitive and sandwich immunoassays with fluorescence and chemiluminescent registration were performed according to the methods described in Example 1 using the antibodies indicated in Table 1. Table 1 also shows the concentration range at which the dependence of the intensity of the fluorescent or chemiluminescent signal of the microarray gel cells was observed. on the concentration of biotoxin; the lower limit of the interval corresponds to the detection limit calculated as described in Example 1.

Пример 4. Одновременный анализ нескольких биотоксинов на одном микрочипеExample 4. Simultaneous analysis of several biotoxins on one microchip

Основное преимущество микрочипов перед традиционными методами иммуноанализа - это возможность количественного анализа образцов одновременно на наличие нескольких антигенов. Получены микрочипы с гелевыми элементами, содержащими иммобилизованные антитела к 6 биотоксинам (рицин, вискумин, стафилококковый энтеротоксин В, столбнячный токсин, дифтерийный токсин, летальный фактор сибиреязвенного токсина). После инкубации микрочипа с раствором, содержащим один из исследуемых токсинов, микрочип проявляли смесью Су3-меченных вторичных антител против всех 6 токсинов (Фиг.3). Пары антител для параллельного анализа нескольких токсинов подбирали таким образом, чтобы неспецифическое взаимодействие с другими токсинами и антителами было минимальным. Например, в случае параллельного анализа антитела против рицина 1RK1 использовали в качестве иммобилизованных, а антитела Rch1 - в качестве проявляющих, а не наоборот, как в Примере 1 для сэндвич-анализа, так как иммобилизованные антитела Rch1 давали неспецифические сигналы с Су3-меченными антителами против стафилококкового энтеротоксина В SEB 643. Наблюдали яркие флуоресцентные сигналы в гелевых элементах, содержащих соответствующие антитела. Пределы обнаружения биотоксинов для параллельного анализа оказались такие же, как и при определении каждого токсина в отдельности (Таблица 1).The main advantage of microchips over traditional methods of immunoassay is the possibility of quantitative analysis of samples simultaneously for the presence of several antigens. Microchips were obtained with gel elements containing immobilized antibodies to 6 biotoxins (ricin, viscumin, staphylococcal enterotoxin B, tetanus toxin, diphtheria toxin, lethal factor of anthrax toxin). After incubation of the microchip with a solution containing one of the studied toxins, the microchip was developed with a mixture of Cy3-labeled secondary antibodies against all 6 toxins (Figure 3). Antibody pairs for parallel analysis of several toxins were selected so that non-specific interaction with other toxins and antibodies was minimal. For example, in the case of parallel analysis, anti-ricin antibodies 1RK1 were used as immobilized, and Rch1 antibodies were used as developing ones, and not vice versa, as in Example 1 for sandwich analysis, since the immobilized Rch1 antibodies gave nonspecific signals with Cy3-labeled antibodies against staphylococcal enterotoxin B SEB 643. Bright fluorescent signals were observed in gel elements containing the corresponding antibodies. The detection limits of biotoxins for parallel analysis were the same as in the determination of each toxin separately (Table 1).

Пример 5. Ускорение иммуноанализа биотоксина при использовании перемешивания анализируемого образцаExample 5. Acceleration of immunoassay of biotoxin when using the stirring of the analyzed sample

Сэндвич-иммуноанализ рицина проводили, как описано в Примере 1, но микрочипы инкубировали с растворами рицина в течение 1 ч при перемешивании. Перемешивание осуществляли с помощью перистальтического насоса. Для этого микрочип помещали в проточную камеру объемом 50 мкл, снабженную трубками для подачи образца. Камеру присоединяли к перистальтическому насосу, и в систему помещали 100 мкл раствора рицина. Образец перемешивали, переключая направление потока с прямого направления на обратное каждые 2 сек; скорость потока была 1,5 мл/мин. Одновременно проводили анализ с перемешиванием на 6 микрочипах, т.е. измерение 6 образцов с различными концентрациями рицина. После инкубации микрочипы проявляли Су3-меченными вторичными антителами против рицина. Калибровочный график для определения рицина методом сэндвич-иммуноанализа с перемешиванием в течение 1 ч был аналогичен калибровочному графику при проведении сэндвич-анализа с инкубацией в течение ночи без перемешивания (Фиг.1В). Таким образом, осуществление перемешивания образца позволило существенно сократить время иммуноанализа с использованием микрочипов.A ricin sandwich immunoassay was performed as described in Example 1, but microarrays were incubated with ricin solutions for 1 hour with stirring. Stirring was carried out using a peristaltic pump. For this, the microchip was placed in a flow chamber with a volume of 50 μl, equipped with tubes for supplying the sample. The chamber was attached to a peristaltic pump, and 100 μl of ricin solution was placed in the system. The sample was mixed by switching the flow direction from the forward to the reverse every 2 seconds; flow rate was 1.5 ml / min. Simultaneously, an analysis was carried out with stirring on 6 microchips, i.e. measurement of 6 samples with various ricin concentrations. After incubation, the microarrays were developed with Cy3-labeled secondary antibodies against ricin. The calibration schedule for determining ricin by a sandwich immunoassay method with stirring for 1 h was similar to the calibration schedule for a sandwich analysis with incubation overnight without stirring (Fig. 1B). Thus, the implementation of the mixing of the sample significantly reduced the time of immunoassay using microarrays.

Пример 6. Стабильность гидрогелевых микрочипов с иммобилизованными антителамиExample 6. Stability of hydrogel microarrays with immobilized antibodies

Были изготовлены микрочипы с иммобилизованными антителами против рицина, как описано в Примере 1. Микрочипы хранили при 10°С во влажной камере в присутствии 20% глицерина. Проводили сэндвич-анализ рицина с флуоресцентной регистрацией, строили калибровочную кривую "интенсивность флуоресцентного сигнала - концентрация рицина в растворе" и определяли предел обнаружения рицина, как описано в Примере 1. Предел обнаружения рицина на микрочипах после 6 мес.хранения оказался 0,1 нг/мл, т.е. такой же, как для микрочипов непосредственно после изготовления. Таким образом, микрочипы с иммобилизованными антителами полностью сохраняют свою активность в течение, по крайней мере, 6 мес хранения. Результаты количественного иммуноанализа различных биотоксинов на микрочипе приведены в таблице.Microchips with immobilized anti-ricin antibodies were made as described in Example 1. The microchips were stored at 10 ° C. in a humid chamber in the presence of 20% glycerol. A sandwich analysis of ricin with fluorescence registration was carried out, a calibration curve was constructed "fluorescence signal intensity - concentration of ricin in solution" and the detection limit of ricin was determined as described in Example 1. The detection limit of ricin on microchips after 6 months of storage was 0.1 ng / ml, i.e. the same as for microchips immediately after manufacture. Thus, microchips with immobilized antibodies fully retain their activity for at least 6 months of storage. The results of quantitative immunoassay of various biotoxins on a microchip are shown in the table.

Таблица
Результаты количественного иммуноанализа различных биотоксинов на микрочипе
Table
The results of quantitative immunoassay of various biotoxins on a microchip
БиотоксинBiotoxin Тип анализа (регистрация сигнала)Type of analysis (signal recording) АнтителаAntibodies Интервал концентраций для анализа на микрочипах, нг/млThe range of concentrations for analysis on microarrays, ng / ml Предел обнаружения для стандартных тест-систем, нг/млDetection limit for standard test systems, ng / ml РицинRicin Прямой анализ (флуоресценция)Direct analysis (fluorescence) Rch1 (иммобилизованные)Rch1 (immobilized) 0,2-5000.2-500 0,10.1 Конкурентный анализ (флуоресценция)Competitive analysis (fluorescence) 1RK2-Cу31RK2-Cu3 4-10004-1000 Сэндвич-анализ (флуоресценция)Sandwich analysis (fluorescence) Rch1 (иммобилизованные), 1RK1-Су3 (проявляющие)Rch1 (immobilized), 1RK1-Cy3 (developing) 0,1-5000.1-500 Сэндвич-анализ (хемилюминесценция)Sandwich analysis (chemiluminescence) 1RK2 (иммобилизованные), 2КК1-биотин+авидин-ПХ (проявляющие)1RK2 (immobilized), 2KK1-biotin + avidin-HRP (developing) 0,7-5000.7-500 ВискуминViscumin Сэндвич-анализ (флуоресценция)Sandwich analysis (fluorescence) TAS (иммобилизованные), MNA9-Cу3 (проявляющие)TAS (immobilized), MNA9-Cu3 (developing) 2-10002-1000 0,08-5,00.08-5.0 Стафилококковый энтеротоксин ВStaphylococcal Enterotoxin B Прямой анализ (флуоресценция)Direct analysis (fluorescence) S222 (иммобилизованные)S222 (immobilized) 50-2000050-20000 0,01-1,00.01-1.0 Сэндвич-анализ (флуоресценция)Sandwich analysis (fluorescence) S222 (иммобилизованные), S643-Cу3 (проявляющие)S222 (immobilized), S643-Cu3 (developing) 1-3001-300 Столбнячный токсинTetanus toxin Сэндвич-анализ (флуоресценция)Sandwich analysis (fluorescence) 3D2C6 (иммобилизованные), 3D10B11-Cу3 (проявляющие)3D2C6 (immobilized), 3D10B11-Cu3 (developing) 10-100010-1000 100one hundred Дифтерийный токсинDiphtheria toxin Прямой анализ (флуоресценция)Direct analysis (fluorescence) 2А3 (иммобилизованные)2A3 (immobilized) 12-2500012-25000 0,1-5,00.1-5.0 Сэндвич-анализ (флуоресценция)Sandwich analysis (fluorescence) 4С7 (иммобилизованные), 2А3-Су3 (проявляющие)4C7 (immobilized), 2A3-Su3 (developing) 1-5001-500 Летальный фактор сибиреязвенного токсинаLethal factor of anthrax toxin Прямой анализ (флуоресценция)Direct analysis (fluorescence) 8D5B11 (иммобилизованные)8D5B11 (immobilized) 20-2000020-20000 500500 Сэндвич-анализ (флуоресценция)Sandwich analysis (fluorescence) 10EDG7 (иммобилизованные), 3B4D9-Cy3 (проявляющие)10EDG7 (immobilized), 3B4D9-Cy3 (developing) 4-40004-4000 Сэндвич-анализ (хемилюминесценция)Sandwich analysis (chemiluminescence) 10EDG7 (иммобилизованные), 3В409-биотин+авидин-ПХ (проявляющие)10EDG7 (immobilized), 3B409-biotin + avidin-HRP (developing) 6-10006-1000

Claims (9)

1. Способ количественного обнаружения биотоксинов в образце, предусматривающий1. A method for the quantitative detection of biotoxins in a sample, comprising а) изготовление биологического микрочипа, представляющего собой упорядоченный массив трехмерных гидрогелевых ячеек на твердой подложке, полученных методом фото- или химически индуцированной полимеризации и содержащих иммобилизованные антитела к различным биотоксинам бактериального, растительного и животного происхождения или биотоксины, причем в каждой отдельной ячейке иммобилизовано антитело к индивидуальному биотоксину или индивидуальный биотоксин;a) the manufacture of a biological microchip, which is an ordered array of three-dimensional hydrogel cells on a solid substrate, obtained by photo- or chemically induced polymerization and containing immobilized antibodies to various biotoxins of bacterial, plant and animal origin or biotoxins, and an antibody to an individual is immobilized in each individual cell biotoxin or individual biotoxin; б) инкубацию микрочипа в реакционной среде, включающей образец, содержащий подлежащие анализу биотоксины, для образования иммунных комплексов биотоксин-антитело, которую при необходимости проводят в условиях перемешивания;b) incubation of the microchip in a reaction medium including a sample containing biotoxins to be analyzed for the formation of biotoxin-antibody immune complexes, which, if necessary, is carried out under stirring conditions; в) детекцию образовавшегося комплекса;c) detection of the resulting complex; г) количественное обнаружение анализируемого биотоксина.d) quantitative detection of the analyzed biotoxin. 2. Способ по п.1, в котором иммобилизованные антитела представляют собой антитела, выбранные из группы антител к рицину, вискумину, стафилококковому энтеротоксину В, столбнячному токсину, дифтерийному токсину, летальному фактору сибиреязвенного токсина.2. The method according to claim 1, in which the immobilized antibodies are antibodies selected from the group of antibodies to ricin, viscumin, staphylococcal enterotoxin B, tetanus toxin, diphtheria toxin, lethal factor anthrax toxin. 3. Способ по п.1, в котором иммобилизованные биотоксины представляют собой биотоксины, выбранные из группы, включающей рицин, вискумин, стафилококковый энтеротоксин В, столбнячный токсин, дифтерийный токсин, летальный фактор сибиреязвенного токсина.3. The method according to claim 1, in which the immobilized biotoxins are biotoxins selected from the group comprising ricin, viscumin, staphylococcal enterotoxin B, tetanus toxin, diphtheria toxin, lethal factor anthrax toxin. 4. Способ по п.1, в котором детекцию образовавшегося комплекса на стадии в) и последующее количественное обнаружение на стадии г) проводят в формате прямого иммуноанализа.4. The method according to claim 1, in which the detection of the formed complex in stage c) and subsequent quantitative detection in stage g) is carried out in the format of direct immunoassay. 5. Способ по п.1, в котором реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит антитела к биотоксину, и детекцию образовавшегося комплекса между иммобилизованным на микрочипе биотоксином и антителом против этого биотоксина на стадии в) и последующее количественное обнаружение на стадии г) проводят в формате конкурентного иммуноанализа.5. The method according to claim 1, wherein the reaction medium in step b) further comprises antibodies to biotoxin, and the detection of the complex formed between the biotoxin immobilized on the microchip and the antibody against this biotoxin in step c) and subsequent quantitative detection in step d) are carried out in competitive immunoassay format. 6. Способ по п.1, в котором реакционная среда на стадии б) дополнительно содержит меченый биотоксин, и детекцию образовавшегося комплекса между иммобилизованным на микрочипе антителом и биотоксином на стадии в) и последующее количественное обнаружение на стадии г) проводят в формате конкурентного иммуноанализа.6. The method according to claim 1, in which the reaction medium in stage b) additionally contains labeled biotoxin, and the detection of the formed complex between the antibody immobilized on a microchip and biotoxin in stage c) and subsequent quantitative detection in stage d) are carried out in the format of competitive immunoassay. 7. Способ по п.1, в котором детекцию образовавшегося комплекса на стадии в) и последующее количественное обнаружение на стадии г) проводят в формате сэндвич-иммуноанализа.7. The method according to claim 1, in which the detection of the formed complex in stage c) and subsequent quantitative detection in stage g) is carried out in the format of a sandwich immunoassay. 8. Способ по п.1, в котором количественное обнаружение биотоксина осуществляют путем проведения стадий а)-в) с известными концентрациями анализируемого биотоксина и построения калибровочной зависимости, по которой определяют количество анализируемого биотоксина в образце.8. The method according to claim 1, in which the quantitative detection of biotoxin is carried out by carrying out stages a) -c) with known concentrations of the analyzed biotoxin and constructing a calibration dependence by which the amount of the analyzed biotoxin in the sample is determined. 9. Способ по п.1, в котором на стадии в) детекцию образовавшегося комплекса осуществляют флуориметрически, хемилюминометрически или масс-спектрометрически.9. The method according to claim 1, in which at the stage c) the detection of the formed complex is carried out fluorimetrically, chemiluminometrically or mass spectrometrically.
RU2006125158/15A 2004-11-24 2004-11-24 Method for assay of biological toxins RU2320994C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125158/15A RU2320994C1 (en) 2004-11-24 2004-11-24 Method for assay of biological toxins

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125158/15A RU2320994C1 (en) 2004-11-24 2004-11-24 Method for assay of biological toxins

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2320994C1 true RU2320994C1 (en) 2008-03-27

Family

ID=39366387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006125158/15A RU2320994C1 (en) 2004-11-24 2004-11-24 Method for assay of biological toxins

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2320994C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2517120C1 (en) * 2012-09-05 2014-05-27 Федеральное казенное учреждение здравоохранения "Иркутский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего Востока" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Method for detecting botulinum toxins

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Barskii B.E. et al. Biological microchips with hydrogel-immobilized nucleic acids, proteins, and other compounds: properties and applications in genomics. Mol Biol (Mosk), 2002, 36(4), p.563-84, PMID: 12173458, реф., [он-лайн], [найдено 14.02.2007], найдено из базы данных PubMed. Мирзабеков А.Д. Биочипы в биологии и медицине XXI века. - Вестник Российской Академии Наук, 2003, т.73, №5, с.412-422. *
RUBINA A.Yu et al. Hydrogel-based protein microchips: manufacturing, properties, and applications. BioTechniques, 34(5), p.1008-1022. LEGLER F.S. et al. Array biosensor for detection of toxins. Anal. Bioanal. Chem, 2003, Oct., 377(3), p.469-477, Epub 2003 Jun 13. RUBINA A.Yu et al. Hydrogel drop microchips with immobilized DNA: properties and methods for large-scale production. Analytical biochemistry, 2004, 325, p.92-106. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2517120C1 (en) * 2012-09-05 2014-05-27 Федеральное казенное учреждение здравоохранения "Иркутский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего Востока" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Method for detecting botulinum toxins

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rubina et al. Quantitative immunoassay of biotoxins on hydrogel-based protein microchips
ES2400919T3 (en) Device and procedure for the detection of mycotoxins
Pavlickova et al. Advances in recombinant antibody microarrays
Cretich et al. Protein and peptide arrays: recent trends and new directions
Delehanty et al. A microarray immunoassay for simultaneous detection of proteins and bacteria
US6861251B2 (en) Translucent solid matrix assay device for microarray analysis
US20110306511A1 (en) Methods for multiplex analyte detection and quantification
US20090023144A1 (en) Method and its kit for quantitatively detecting specific analyte with single capturing agent
AU2015243288B2 (en) Control marker for implementing analysis methods on spots
JP5089511B2 (en) Biomolecular detection or quantification method using colloidal silica particles containing light-absorbing substance
US20080003599A1 (en) Biological Microchip for Multiple Parallel Immunoassay of Compounds and Immunoassay Metods Using Said Microchip
US20130224770A1 (en) Antibody Diluent Buffer
US20070172904A1 (en) Method for quantitative detection of biological toxins
JP4920173B2 (en) Calibration microarray
RU2320994C1 (en) Method for assay of biological toxins
Fici et al. A protein multiplex microarray substrate with high sensitivity and specificity
Yin et al. A single layer nitrocellulose substrate for fabricating protein chips
WO2006070180A1 (en) Detection of phosphoproteins
US20230221309A1 (en) Method, use of the method and kit for detecting bioindicators in a sample
KR20030012130A (en) Protein chip-based hiv diagnostic system
Filippova et al. Simultaneous and multiparametric express-analysis of biotoxins on biochip
Cretich et al. Peptide microarrays on coated silicon slides for highly sensitive antibody detection
Ewart et al. High quality epoxysilane substrate for clinical multiplex serodiagnostic proteomic microarrays
Walther et al. The FAST Guide to Protein Microarrays
Haab Practical approaches to protein microarrays

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181125