RU2789545C1 - Method for highly sensitive competitive immunochromatographic analysis - Google Patents

Method for highly sensitive competitive immunochromatographic analysis Download PDF

Info

Publication number
RU2789545C1
RU2789545C1 RU2022100032A RU2022100032A RU2789545C1 RU 2789545 C1 RU2789545 C1 RU 2789545C1 RU 2022100032 A RU2022100032 A RU 2022100032A RU 2022100032 A RU2022100032 A RU 2022100032A RU 2789545 C1 RU2789545 C1 RU 2789545C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antigen
antibodies
membrane
binding
sample
Prior art date
Application number
RU2022100032A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Васильевич Сотников
Анатолий Виталиевич Жердев
Борис Борисович Дзантиев
Original Assignee
Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" filed Critical Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук"
Application granted granted Critical
Publication of RU2789545C1 publication Critical patent/RU2789545C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: biochemistry.
SUBSTANCE: invention relates to analytical biochemistry and food biotechnology, in particular to a method for competitive immunochromatographic analysis, which is based on a combination of two immune interactions of antibodies labeled with a stained label. According to the present invention, instead of an antigenic preparation applied to the membrane, it is assumed to use a protein-bound structural analog of an antigen capable of binding to antibodies, but with worse affinity than the antigen itself. Due to this, even small concentrations of antigen in the sample become sufficient to prevent the formation of stained complexes on the membrane. Since the proposed replacement reduces the intensity of staining in the absence of antigen in the sample, making it difficult to compare the analysis results for different concentrations of antigen, the replacement is accompanied by the use of an additional reagent: a conjugate of a marker particle with an antibody-binding reagent.
EFFECT: invention makes it possible to reliably detect lower concentrations of low molecular weight antigen.
1 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к аналитической биохимии и пищевой биотехнологии, представляя собой способ конкурентного иммунохроматографического анализа.The invention relates to analytical biochemistry and food biotechnology, representing a method for competitive immunochromatographic analysis.

К иммунохроматографическому анализу относятся методики выявления различных соединений, в которых используется связывание данных соединений со специфическими антителами и формирование посредством реакций антиген-антитело на иммунохроматографической мембране (тест-полоске) комплекса иммунореагентов и детектируемой (обычно окрашенной) метки, выявляемого по появлению на тест-полоске окрашенной полосы [Quesada-Gonzalez D., Merkoci A. Nanoparticle-based lateral flow biosensors. BIOSENSORS & BIOELECTRONICS, 2015, v. 73, pp. 47-63]. Востребованность иммунохроматографического анализа определяется простотой его проведения - контакта тест-полоски с жидкой пробой или экстрактом и, при необходимости, с дополнительными растворами достаточно для инициирования движения жидкости по мембране под действием капиллярных сил и инициирования всех взаимодействий, необходимых для формирования детектируемых иммунных комплексов, Тем самым проведение анализа не требует дополнительных устройств и трудоемких действий оператора. Результатом иммунохроматографического анализа является наличие или отсутствие окрашенной зоны связывания на определенном участке тест-полоски, обусловленное связыванием в этом участке иммунореагентов, в том числе их комплексов с меткой. Благодаря этому оценка результатов тестирования может быть осуществлена визуально, а весь анализ может быть проведен непосредственно в месте отбора проб без их транспортировки в лабораторию.Immunochromatographic analysis includes methods for detecting various compounds that use the binding of these compounds to specific antibodies and the formation of a complex of immunoreagents and a detectable (usually colored) label, which is detected by the appearance on the test strip, by means of antigen-antibody reactions on the immunochromatographic membrane (test strip). colored band [Quesada-Gonzalez D., Merkoci A. Nanoparticle-based lateral flow biosensors. BIOSENSORS & BIOELECTRONICS, 2015, v. 73, pp. 47-63]. The demand for immunochromatographic analysis is determined by the simplicity of its implementation - the contact of the test strip with a liquid sample or extract and, if necessary, with additional solutions is sufficient to initiate the movement of liquid along the membrane under the action of capillary forces and initiate all interactions necessary for the formation of detectable immune complexes, thereby analysis does not require additional devices and labor-intensive actions of the operator. The result of immunochromatographic analysis is the presence or absence of a colored binding zone in a certain area of the test strip, due to the binding of immunoreagents in this area, including their complexes with a label. Thanks to this, the evaluation of the test results can be carried out visually, and the entire analysis can be carried out directly at the sampling site without transporting them to the laboratory.

При необходимости определения низкомолекулярных соединений, к которым относятся пестициды, антибиотики, микотоксины, фикотоксины и другие токсичные контаминанты сельскохозяйственной продукции и вырабатываемых из нее продуктов питания и кормов используется односайтный конкурентный иммунохроматографический анализ, что обусловлено способностью малых по размерам молекул антигенов связываться лишь с одной молекулой антитела [Posthuma-Trumpie G.A., Korf J., van Amerongen A. Lateral flow (immuno) assay: its strengths, weaknesses, opportunities and threats. A literature survey. ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY, 2009, v. 393 (2), pp. 569-582]. В основе конкурентного иммунохроматографического анализа лежит сочетание двух иммунных взаимодействий антител, меченных окрашенной меткой. Вначале антитела контактируют с тестируемой пробой, в которой потенциально содержится антиген, и в ходе этого контакта антитела специфично связываются с антигеном. Затем проба, смешавшись с препаратом антител, под действием капиллярных сил движется по порам мембраны тест-полоски. В определенную зону этой мембраны заранее наносится антигенный препарат, связанный с белком. Обычно для этого используется сам антиген, в состав которого введена реакционноспособная группа (или не модифицированный антиген, если его молекула уже содержит такую группу), который ковалентно связывается с белком, обеспечивающим сорбционную иммобилизацию полученного комплекса в месте нанесения на мембрану. В результате этих двух взаимодействий на мембране тест-полоски в зоне нанесения антигена, связанного с белком, при концентрации антигена в пробе ниже пороговой образуется регистрируемый по окрашиванию комплекс (белок-носитель - производное антигена - антитела - маркерная частица). Если же концентрация антигена в пробе равна или выше пороговой, комплекс не образуется в количестве, достаточном для регистрации по окрашиванию, Таким образом, исходя из результата регистрации окрашивания, неизвестная концентрация антигена в пробе сопоставляется с пороговой концентрацией. Если концентрация антигена в пробе ниже пороговой - окрашивание наблюдается, если равно или выше - отсутствует. Важно, чтобы сравнение с пороговой концентрацией анализа позволяли делать практически значимые выводы о свойствах тестируемой пробы, например, о том, превышена ли в нем допустимая концентрация токсичного контаминанта - пестицида, антибиотика и др. Однако пороговая концентрация конкурентного иммунохроматографического анализа - определенная величина, которая зависит от структуры антигена и антител, констант связывания их взаимодействия. Если анализ позволяет определять меньшие концентрации антигена, чем требуется для практических выводов, он все равно может эффективно применяться после разбавления тестируемой пробы. Если же пороговая концентрация иммунохроматографического анализа выше, чем контролируемый уровень определяемого антигена, необходимо усовершенствование аналитического метода [Ngom B., Guo,Y., Wang X. Et. al. Development and application of lateral flow test strip technology for detection of infectious agents and chemical contaminants: a review. ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY, 2010, v. 397 (3), pp. 1113-1135].If it is necessary to determine low molecular weight compounds, which include pesticides, antibiotics, mycotoxins, phycotoxins and other toxic contaminants of agricultural products and food and feed products produced from it, a single-site competitive immunochromatographic analysis is used, which is due to the ability of small-sized antigen molecules to bind to only one antibody molecule [Posthuma-Trumpie G.A., Korf J., van Amerongen A. Lateral flow (immuno) assay: its strengths, weaknesses, opportunities and threats. A literature survey. ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY, 2009, v. 393(2), pp. 569-582]. Competitive immunochromatographic analysis is based on a combination of two immune interactions of antibodies labeled with a colored label. Antibodies are first contacted with a test sample that potentially contains an antigen, and during this contact the antibodies specifically bind to the antigen. Then the sample, mixed with the antibody preparation, moves through the pores of the test strip membrane under the action of capillary forces. An antigenic preparation associated with a protein is applied in advance to a certain zone of this membrane. Usually, the antigen itself is used for this, into which a reactive group is introduced (or an unmodified antigen, if its molecule already contains such a group), which covalently binds to a protein that provides sorption immobilization of the resulting complex at the site of application to the membrane. As a result of these two interactions, on the membrane of the test strip in the zone of application of the antigen bound to the protein, when the concentration of the antigen in the sample is below the threshold, a complex registered by staining is formed (carrier protein - antigen derivative - antibodies - marker particle). If the antigen concentration in the sample is equal to or higher than the threshold, the complex is not formed in an amount sufficient for registration by staining. Thus, based on the result of staining registration, the unknown concentration of antigen in the sample is compared with the threshold concentration. If the concentration of the antigen in the sample is below the threshold, staining is observed; if it is equal or higher, it is absent. It is important that comparison with the threshold concentration of the analysis allows us to draw practically significant conclusions about the properties of the test sample, for example, whether it exceeds the permissible concentration of a toxic contaminant - pesticide, antibiotic, etc. However, the threshold concentration of a competitive immunochromatographic analysis is a certain value that depends on the structure of the antigen and antibodies, the binding constants of their interaction. If the assay detects lower concentrations of antigen than required for practical purposes, it can still be used effectively after diluting the test sample. If the threshold concentration of immunochromatographic analysis is higher than the controlled level of the detected antigen, it is necessary to improve the analytical method [Ngom B., Guo, Y., Wang X. Et. al. Development and application of lateral flow test strip technology for detection of infectious agents and chemical contaminants: a review. ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY, 2010, v. 397(3), pp. 1113-1135].

Как видим, повышение чувствительности иммунохроматографического анализа - весьма востребованная задача. Для ее решения предлагаются различные подходы.As you can see, increasing the sensitivity of immunochromatographic analysis is a highly demanded task. Various approaches are proposed to solve it.

Одно из направлений совершенствования иммунохроматографических тестов связано с заменой используемого маркера. Вместо наночастиц золота, с использованием которых производится большая часть иммунохроматографических систем, предлагается применять другие связывающиеся с антителами частицы, детектируемые в меньших концентрациях. Так, известны успешные разработки, в которых применяются флуоресцентные или магнитные частицы, регистрируемые в крайне низких количествах и при малом фоновом сигнале мембраны и компонентов тестируемых проб [Urusov A.E., Zherdev A.V., Dzantiev B.B. Towards lateral flow quantitative assays: Detection approaches. BIOSENSORS, 2019, v. 9 (3), artticle 89]. Однако реализация такого иммунохроматографического анализа требует дополнительных регистрирующих устройств, что повышает стоимость определения и приводит к утрате основного достоинства иммунохроматографии как бесприборного аналитического метода, реализуемого непосредственно в точке отбора пробы.One of the directions for improving immunochromatographic tests is associated with the replacement of the used marker. Instead of gold nanoparticles, which are used in most immunochromatographic systems, it is proposed to use other antibody-binding particles that are detected at lower concentrations. Thus, successful developments are known in which fluorescent or magnetic particles are used, which are recorded in extremely low quantities and with a low background signal of the membrane and components of the tested samples [Urusov A.E., Zherdev A.V., Dzantiev B.B. Towards lateral flow quantitative assays: Detection approaches. BIOSENSORS, 2019, v. 9 (3), article 89]. However, the implementation of such an immunochromatographic analysis requires additional recording devices, which increases the cost of determination and leads to the loss of the main advantage of immunochromatography as a non-instrumental analytical method implemented directly at the sampling point.

Известны также разработки, в которых в качестве альтернативной метки используются наночастицы другого химического состава и, соответственно, с другими спектрами поглощения [Goryacheva I.Yu., Lenain P., De Saeger S. Nanosized labels for rapid immunotests. TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY, 2013, v. 46, pp. 30-43]. Однако изменение поверхностных свойств наночастицы влияет на эффективность иммобилизации на ее поверхности антител и степени сохранения ими антиген-связывающих свойств. Тем самым преимущества более интенсивно окрашенной метки могут быть реализованы только после проведения комплекса дополнительных исследований по выбору условий иммобилизации на ее поверхности антител.There are also developments in which nanoparticles of a different chemical composition and, accordingly, with other absorption spectra are used as an alternative label [Goryacheva I.Yu., Lenain P., De Saeger S. Nanosized labels for rapid immunotests. TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY, 2013, v. 46, pp. 30-43]. However, a change in the surface properties of a nanoparticle affects the efficiency of immobilization of antibodies on its surface and the degree to which they retain their antigen-binding properties. Thus, the advantages of a more intensely colored label can only be realized after a set of additional studies to select the conditions for immobilization of antibodies on its surface.

Кроме того, в качестве альтернативной метки в иммунохроматографическом анализе предлагается использовать нанозимы - наночастицы, катализирующие трансформацию субстрата в регистрируемый окрашенный продукт. При этом за счет трансформации большого числа молекул субстрата действительно обеспечивается амплификация оптического сигнала [Nguyen Q.H., Kim M.I. Nanomaterial-mediated paper-based biosensors for colorimetric pathogen detection. TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY, 2020, v. 132, article 116038]. Однако комплектация тест-системы усложняется. Вместо одной тест-полоски с предварительно нанесенными на нее и высушенными реагентами возникает сочетание тест-полоски и субстратного раствора, свойства которого со временем могут изменяться, что влияет на регистрируемую интенсивность окрашивания.In addition, as an alternative label in immunochromatographic analysis, it is proposed to use nanozymes - nanoparticles that catalyze the transformation of a substrate into a detectable colored product. At the same time, due to the transformation of a large number of substrate molecules, the amplification of the optical signal is indeed provided [Nguyen Q.H., Kim M.I. Nanomaterial-mediated paper-based biosensors for colorimetric pathogen detection. TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY, 2020, v. 132, article 116038]. However, the assembly of the test system becomes more complicated. Instead of a single test strip with pre-applied and dried reagents, there is a combination of test strip and substrate solution, the properties of which can change over time, which affects the recorded intensity of staining.

Отмечалось влияние на пороговую концентрацию конкурентного иммунохроматографического анализа состава комплексов наночастиц-меток с антителами [Zvereva, E.A., Byzova N.A., Sveshnikov P.G. et al. Cut-off on demand: adjustment of the threshold level of an immunochromatographic assay for chloramphenicol. ANALYTICAL METHODS, 2015, v. 7 (15), pp. 6378-6384]. Действительно, снижение соотношения антитело:метка в комплексе от многих десятков и сотен до единиц сдвигает пороговую концентрацию в область более низких величин, так как для блокировки антигенсвязывающих сайтов антител требуется меньшее количество молекул антигена, содержащихся в пробе. Однако при меньшем количестве антител в комплексе с наночастицей снижается и эффективность связывания с иммобилизованным конъюгатом производного антигена с белковым носителем на мембране, что проявляется как снижение интенсивности окрашивания и менее достоверная регистрация получаемых результатов.The effect on the threshold concentration of competitive immunochromatographic analysis of the composition of complexes of nanoparticle-labels with antibodies was noted [Zvereva, E.A., Byzova N.A., Sveshnikov P.G. et al. Cut-off on demand: adjustment of the threshold level of an immunochromatographic assay for chloramphenicol. ANALYTICAL METHODS, 2015, v. 7 (15), pp. 6378-6384]. Indeed, a decrease in the ratio of antibody:label in the complex from many tens and hundreds to units shifts the threshold concentration to lower values, since a smaller number of antigen molecules contained in the sample is required to block the antigen-binding sites of antibodies. However, with a smaller amount of antibodies in a complex with a nanoparticle, the efficiency of binding to the immobilized conjugate of the antigen derivative with a protein carrier on the membrane also decreases, which manifests itself as a decrease in the staining intensity and less reliable registration of the results obtained.

В литературе имеются также предложения по изменению свойств конъюгата антигенного препарата с белком, влияющие на связывание антител [Anfossi L., Baggiani C., Giovannoli C., Giraudi G. Lateral flow immunoassays for aflatoxins B and G and for aflatoxin M1. Chapter 215 in Aflatoxins - Recent Advances and Future Prospects Intechopen, 2013. Pp. 315-339]. Так, предлагается изменение длины «мостикового» -(CH2)n- участка антигенной молекулой и белком-носителем, расположения точки модификации на молекуле антигена. В ряде случаев также изменения приводят к более чувствительному определению свободного антигена. Однако успешность такой модификации не гарантирована, а достигаемые выигрыши могут сильно варьировать. К тому же изменение методики конъюгирования модифицированного антигена с белком требует дополнительной оптимизации условий синтеза и может быть сопряжено со снижением выхода целевого продукта.The literature also has proposals for changing the properties of the conjugate of the antigenic drug with protein that affect the binding of antibodies [Anfossi L., Baggiani C., Giovannoli C., Giraudi G. Laderel Flow Immunossays for Aflatoxin B and G and For Aflatoxin M1. Chapter 215 in Aflatoxins - Recent Advances and Future Prospects Intechopen, 2013. Pp. 315-339]. So, it is proposed to change the length of the “bridge” -(CH 2 ) n -the area of the antigenic molecule and the carrier protein, the location of the modification point on the antigen molecule. In some cases, changes also lead to a more sensitive definition of free antigen. However, the success of such a modification is not guaranteed, and the achieved winnings can vary greatly. In addition, a change in the conjugation methodology of a modified antigen with protein requires additional optimization of synthesis conditions and may be associated with a decrease in the output of the target product.

Таким образом, для решения задачи повышения чувствительности иммунохроматографического анализа может быть применены разные методы, однако такие изменения могут быть сопряжены с возрастанием сложности проведения анализа или требовать дополнительных исследований при выборе условий получения необходимых новых реагентов.Thus, to solve the problem of increasing the sensitivity of immunochromatographic analysis, different methods can be used, however, such changes may be associated with an increase in the complexity of the analysis or require additional studies when choosing the conditions for obtaining the necessary new reagents.

При этом для таких востребованных классов контролируемых низкомолекулярных соединений, как пестициды, антибиотики, небелковые токсины известно значительное разнообразие структурно близких молекул, с разной степенью эффективности распознаваемых антителами - коммерческие химические препараты того же класса с несколькими модифицированными или замененными атомами, продукты частичной деструкции антигенов. Характеристика антител, используемых для определения того или иного антигена, включает такой параметр, как кросс-реактивность, отражающий результаты сравнения по связыванию с антителами данного производного антигена и исходной молекулы. [Sotnikov D.V., Zherdev A.V., Zvereva E.A. et al. Changing cross-reactivity for different immunoassays using the same antibodies: Theoretical description and experimental confirmation. APPLIED SCIENCES, 2021, v. 11 (14), article 6581].At the same time, for such popular classes of controlled low molecular weight compounds as pesticides, antibiotics, non-protein toxins, a significant variety of structurally similar molecules is known, with varying degrees of efficiency recognized by antibodies - commercial chemicals of the same class with several modified or replaced atoms, products of partial destruction of antigens. The characterization of antibodies used to determine a particular antigen includes such a parameter as cross-reactivity, which reflects the results of a comparison of binding to antibodies of a given antigen derivative and the original molecule. [Sotnikov D.V., Zherdev A.V., Zvereva E.A. et al. Changing cross-reactivity for different immunoassays using the same antibodies: Theoretical description and experimental confirmation. APPLIED SCIENCES, 2021, v. 11 (14), article 6581].

С учетом доступности таких реагентов в настоящем патенте предлагается использовать вместо нанесенного на мембрану антигенного препарата связанное с белком производное структурного аналога антигена, способное связываться с антителами, но с худшей аффинностью, чем сам антиген. Благодаря этому даже небольших концентраций антигена в пробе становится достаточно, чтобы предотвратить образование на мембране окрашенных комплексов. Поскольку предложенная замена снижает интенсивность окрашивания в отсутствие антигена в пробе, затрудняя сравнение результатов анализа для разных концентрацией антигена, замена сопровождается использованием дополнительного реагента - комплекса окрашенных частиц с антитело-связывающим белком, который движется вдоль тест-полоски по ее порам после завершения взаимодействий антиген-антитело. В результате связывания этого дополнительного реагента обеспечивается высокая интенсивность окрашивания в отсутствие антигена в пробе и возможность достоверного сравнения результатов анализа для разных концентраций антигена.Given the availability of such reagents, the present patent proposes to use a protein-bound derivative of a structural analog of the antigen, capable of binding to antibodies, but with a worse affinity than the antigen itself, instead of the antigenic preparation deposited on the membrane. Due to this, even small concentrations of antigen in the sample become sufficient to prevent the formation of colored complexes on the membrane. Since the proposed replacement reduces the intensity of staining in the absence of antigen in the sample, making it difficult to compare the results of analysis for different concentrations of antigen, the replacement is accompanied by the use of an additional reagent - a complex of stained particles with an antibody-binding protein that moves along the test strip through its pores after the antigen- antibody. The binding of this additional reagent provides a high intensity of staining in the absence of antigen in the sample and the ability to reliably compare the results of the analysis for different concentrations of antigen.

Согласно описанной в литературе математической модели конкурентной иммунохроматографии [Sotnikov D.V., Zherdev A.V., Byzova N.A., et al. Mathematical modeling of the immunochromatographic test-systems in competitive format: Analytical and numerical approaches.. BIOCHEMICAL ENGINEERING JOURNAL. (2020), v. 164, article 107763] сигнал в аналитической зоне определяется концентрации окраженного комплекса, которая зависит от параметров системы следующим образом:According to the mathematical model of competitive immunochromatography described in the literature [Sotnikov D.V., Zherdev A.V., Byzova N.A., et al. Mathematical modeling of the immunochromatographic test-systems in competitive format: Analytical and numerical approaches.. BIOCHEMICAL ENGINEERING JOURNAL. (2020), v. 164, article 107763] the signal in the analytical zone is determined by the concentration of the stained complex, which depends on the parameters of the system as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

А - антиген в пробе;A - antigen in the sample;

Р - антиген-связывающие центры антител на частицах маркера (маркерный конъюгат);P - antigen-binding centers of antibodies on marker particles (marker conjugate);

R - модифицированный антиген (антиген-белок) в аналитической зоне для связывания конъюгата коллоидного маркера;R - modified antigen (antigen-protein) in the analytical zone for binding the conjugate of the colloidal marker;

AP - комплекс антигена с антителом на частице коллоидного маркера;AP - antigen-antibody complex on a colloidal marker particle;

PR - комплекс специфических антител на частицах коллоидного маркера и модифицированного антигена в аналитической зоне;PR - a complex of specific antibodies on particles of a colloidal marker and a modified antigen in the analytical zone;

ka1 - кинетическая константа ассоциации реакции меченых антител с антигеном;ka1 - kinetic constant of the association of the reaction of labeled antibodies with the antigen;

ka2 - кинетическая константа ассоциации реакции меченых антител с модифицированным антигеном в аналитической зоне;ka2 - kinetic constant of the association of the reaction of labeled antibodies with a modified antigen in the analytical zone;

t - время анализа от начала реакции антигена с коллоидным конъюгатом;t is the time of analysis from the beginning of the reaction of the antigen with the colloidal conjugate;

T - разность между t и временем реакции в аналитической зоне.T is the difference between t and the reaction time in the analytical zone.

Как видно из уравнения, концентрация окрашенного комплекса в аналитической зоне находится в степенной зависимости от соотношения констант ассоциации первой и второй реакции антиген-антитело. Количественно чувствительность анализа связана со значением абсциссы точки перегиба градуировочной зависимости (IC50). Чем меньше концентрация конкурента, соответствующая IC50, тем выше чувствительность. Константы иммунного взаимодействия, определяющие скорости реакций (1) и (2), соответственно ka1 и ka2, влияют на концентрацию образовавшегося в аналитической зоне окрашенного комплекса PR принципиально противоположным образом: [PR] увеличивается при уменьшении ka1 и повышении ka2. Расчеты показывают, что повышение значения ka1 приводит к смещению IC50 в сторону более низких значений аналита, иллюстрируя известное требование использовать в анализе как можно более аффинные антитела. При этом изменение ka1 слабо влияет на величину максимальной концентрации [PR]max, достижимой при отсутствии аналита. В противоположность этому, уменьшение кинетической константы ассоциации маркерного конъюгата с рецептором в аналитической зоне (ka2) смещает IC50 в сторону более низких значений аналита, но при этом максимальная концентрация [PR] значительно уменьшается, то есть чувствительность повышается, но снижается интенсивность окраски. Из модели следует, что более эффективно использование высоких концентраций низкоаффинного рецептора в аналитической зоне, чем низких концентраций высокоаффинного рецептора.As can be seen from the equation, the concentration of the colored complex in the analytical zone is in a power-law dependence on the ratio of the association constants of the first and second antigen-antibody reactions. Quantitatively, the sensitivity of the analysis is related to the value of the abscissa of the inflection point of the calibration dependence (IC50). The lower the concentration of competitor corresponding to the IC50, the higher the sensitivity. The immune interaction constants that determine the rates of reactions (1) and (2), ka1 and ka2, respectively, affect the concentration of the colored PR complex formed in the analytical zone in a fundamentally opposite way: [PR] increases with a decrease in ka1 and an increase in ka2. Calculations show that an increase in the value of ka1 leads to a shift in IC50 towards lower values of the analyte, illustrating the well-known requirement to use as high affinity antibodies as possible in the analysis. In this case, a change in ka1 has little effect on the value of the maximum concentration [PR]max achievable in the absence of the analyte. In contrast, a decrease in the kinetic association constant of the marker conjugate with the receptor in the assay zone (ka2) shifts the IC50 towards lower analyte values, but the maximum concentration [PR] decreases significantly, i.e., the sensitivity increases, but the color intensity decreases. It follows from the model that it is more efficient to use high concentrations of a low-affinity receptor in the assay zone than low concentrations of a high-affinity receptor.

Соответственно, предметом изобретения является способ конкурентного иммунохроматографического анализа, в котором в качестве антигенного препарата, связанного с белком, используется менее аффинный по отношению к антителам структурный аналог антигена для повышения чувствительности, а после взаимодействий комплекса антител и маркерной частицы по мембране тест-полоски движется конъюгат маркерной частицы с антитело-связывающим реагентом для повышения интенсивности окраски.Accordingly, the subject of the invention is a method of competitive immunochromatographic analysis, in which a less affine structural analogue of the antigen with respect to antibodies is used as an antigen preparation associated with a protein to increase sensitivity, and after interactions between the antibody complex and the marker particle, the conjugate moves along the membrane of the test strip a marker particle with an antibody-binding reagent to enhance the color intensity.

Предлагаемое сочетание замен в комплектации иммунохроматографической тест-системы обеспечивает возможность выявления более низких концентраций антигена при сохранении востребованных характеристик анализа - методическая простота проведения, регистрация окрашивания мембраны как результата тестирования, отсутствие необходимости в приборном обеспечении, сохранение высокой интенсивности окрашивания.The proposed combination of substitutions in the configuration of the immunochromatographic test system makes it possible to detect lower concentrations of the antigen while maintaining the required characteristics of the analysis - methodological simplicity, registration of membrane staining as a result of testing, no need for instrumentation, maintaining a high intensity of staining.

Технический результат патента состоит в повышении чувствительности анализа, то есть в обеспечении возможности достоверного выявления более низких концентраций антигена.The technical result of the patent is to increase the sensitivity of the analysis, that is, to enable reliable detection of lower concentrations of the antigen.

Реализуемость предлагаемой идеи демонстрируется приводимым ниже примером:The feasibility of the proposed idea is demonstrated by the following example:

Пример 1Example 1

Иммунохроматографический анализ антибиотика суфахлорпиридазинаImmunochromatographic analysis of the antibiotic sufachlorpyridazine

Анализ суфахлорпиридазина проводится с использованием специфичных к данному соединению антител, а для получения комплекса антигенного препарата с белковым носителем используется сульфадиметоксин (перекрестная реактивность с используемыми антителами, по данным иммуноферментного анализа, -17%).Analysis of sufachlorpyridazine is carried out using antibodies specific to this compound, and sulfadimethoxine is used to obtain a complex of an antigenic preparation with a protein carrier (cross-reactivity with the antibodies used, according to enzyme immunoassay, -17%).

Для изготовления иммунохроматографических тест-полосок использовались нитроцеллюлозная мембрана CNPC с размером пор 15 мкм (CNPC-SS15), мембрана под образец GFB-R4, стекловолоконная мембрана PT-R7 и адсорбционная мембрана AP045 (“Advanced Microdevices”, Индия).Immunochromatographic test strips were prepared using a CNPC nitrocellulose membrane with a pore size of 15 µm (CNPC-SS15), a GFB-R4 sample membrane, a PT-R7 glass fiber membrane, and an AP045 adsorption membrane (Advanced Microdevices, India).

Сферические наночастицы золота (средний диаметр 30 нм) получали восстановлением золотохлористоводородной кислоты цитратом натрия по методу Френса, а иммобилизацию на них поликлональных кроличьих антител к суфахлорпиридазину и стрептококкового белка G проводили адсорбцией при рН 9.0, исходя из флоккуляционной кривой.Spherical gold nanoparticles (average diameter 30 nm) were obtained by reducing chloroauric acid with sodium citrate according to the Frens method, and polyclonal rabbit antibodies to sufachloropyridazine and streptococcal protein G were immobilized on them by adsorption at pH 9.0, based on the flocculation curve.

Аналитическую зону тест-полоски формировали нанесением конъюгата сульфадиметоксина с бычьим сывороточным альбумином (0.5 мг/мл), контрольную зону - антивидовых антител (иммуноглобулины антисыворотки овцы против IgG кролика (0.15 мг/мл). Для сравнения использовали также иммобилизацию конъюгата суфахлорпиридазина с бычьим сывороточным альбумином (0.5 мг/мл), На стекловолоконную мембрану наносили комплекс золотых наночастиц с антителами к суфахлорпиридазину.The analytical zone of the test strip was formed by applying a conjugate of sulfadimethoxine with bovine serum albumin (0.5 mg/ml), the control zone was formed with anti-species antibodies (immunoglobulins of sheep antiserum against rabbit IgG (0.15 mg/ml). For comparison, we also used the immobilization of the conjugate of sufachlorpyridazine with bovine serum albumin (0.5 mg/ml), a complex of gold nanoparticles with antibodies to sufachlorpyridazine was applied to a glass fiber membrane.

После нанесения иммунореагентов нитроцеллюлозную мембрану сушили 24 часа при комнатной температуре и 5 часов при 37°C. Высушенный и склеенный мембранный комплекс нарезали на тест-полоски шириной 3.5 мм с помощью автоматического гильотинного нарезчика.After applying the immunoreagents, the nitrocellulose membrane was dried for 24 hours at room temperature and 5 hours at 37°C. The dried and glued membrane complex was cut into test strips 3.5 mm wide using an automatic guillotine cutter.

Проведение иммунохроматографического анализа (контрольные эксперименты с иммобилизованным конъюгатом сульфониламида с бычьим сывороточным альбумином): В лунку микропланшета вносили 100 мкл тестируемой пробы (растворы суфахлорпиридазина разной концентрации) и погружали тест-полоску в вертикальном положении. Через 10 мин контролировали результат анализа.Immunochromatographic analysis (control experiments with immobilized sulfonylamide conjugate with bovine serum albumin): 100 µl of the test sample (solutions of sufachlorpyridazine of various concentrations) were added to the well of the microplate and the test strip was immersed in a vertical position. After 10 min, the result of the analysis was monitored.

Проведение иммунохроматографического анализа (предлагаемый вариант с иммобилизованным конъюгатом сульфадиметоксина с бычьим сывороточным альбумином): В лунку микропланшета вносили 100 мкл тестируемой пробы (растворы суфахлорпиридазина разной концентрации) и погружали тест-полоску в вертикальном положении. Через 10 мин тест-полоску переносили в другую лунку, содержащую 100 мкл конъюгата золотых наночастиц и стрептококкового белка G. Повторяли 10-минутную инкубацию и контролировали результат анализа.Immunochromatographic analysis (suggested version with immobilized conjugate of sulfadimethoxine with bovine serum albumin): 100 μl of the test sample (solutions of sufachlorpyridazine of various concentrations) were added to the well of the microplate and the test strip was immersed in a vertical position. After 10 minutes, the test strip was transferred to another well containing 100 μl of the conjugate of gold nanoparticles and streptococcal protein G. The 10-minute incubation was repeated and the result of the analysis was monitored.

Результаты анализа для двух вариантов - контрольного и предлагаемого, приведенные на рис. 1, отражают сдвиг пороговой концентрации с 10 до 3,3 нг/мл суфахлорпиридазина в пробе, т.е. подтверждают заявленное улучшение чувствительности конкурентного иммунохроматографического анализа.The results of the analysis for two options - the control and the proposed one, are shown in fig. 1 reflect the shift in the threshold concentration from 10 to 3.3 ng/ml of sufachlorpyridazine in the sample, i.e. confirm the claimed improvement in the sensitivity of the competitive immunochromatographic assay.

Claims (1)

Способ высокочувствительного конкурентного иммунохроматографического анализа низкомолекулярных антигенов, включающий: 1) связывание молекул антигена, потенциально содержащихся в тестируемой пробе, с антителами к определяемому антигену в комплексе с окрашенной маркерной частицей, 2) последующее движение пробы по мембране тест-полоски и связывание комплекса антител и маркерной частицы посредством непрореагировавших антигенсвязывающих сайтов антител с нанесенным на мембрану тест-полоски антигенным препаратом, связанным с белком, в аналитической зоне тест-полоски, отличающийся тем, что в составе антигенного препарата, связанного с белком, используется менее аффинный по отношению к антителам структурный аналог антигена, а после взаимодействий комплекса антител и маркерной частицы к мембране тест-полоски добавляют конъюгат маркерной частицы с антитело-связывающим реагентом, что обеспечивает высокую интенсивность окрашивания в аналитической зоне тест-полоски в отсутствие антигена в пробе.A method for highly sensitive competitive immunochromatographic analysis of low molecular weight antigens, including: 1) binding of antigen molecules potentially contained in the test sample with antibodies to the antigen being determined in combination with a colored marker particle, 2) subsequent movement of the sample along the membrane of the test strip and binding of the complex of antibodies and marker particles by means of unreacted antigen-binding sites of antibodies with a protein-bound antigenic preparation deposited on the test strip membrane in the analytical zone of the test strip, characterized in that the protein-bound antigenic preparation uses a structural analogue of the antigen that is less affine with respect to antibodies , and after the interaction of the antibody complex and the marker particle, the conjugate of the marker particle with the antibody-binding reagent is added to the test strip membrane, which ensures high staining intensity in the analytical zone of the test strip in the absence of antigen in the sample.
RU2022100032A 2022-01-09 Method for highly sensitive competitive immunochromatographic analysis RU2789545C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2789545C1 true RU2789545C1 (en) 2023-02-06

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497126C2 (en) * 2011-12-30 2013-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "РЭД" Method to reduce limit of detection of immunochromatographic methods to control content of low-molecular compounds

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497126C2 (en) * 2011-12-30 2013-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "РЭД" Method to reduce limit of detection of immunochromatographic methods to control content of low-molecular compounds

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DENG Y. et al. Recent advances in sensitivity enhancement for lateral flow assay. Microchim Acta 2021, Vol. 188, Art. number: 379. *
Sajid M. et al. Designs, formats and applications of lateral flow assay: A literature review. Journal of Saudi Chemical Society. 2015. Vol. 19. Iss. 6, pp. 689-705. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5219763A (en) Agglutination method for the determination of multiple ligands
Zherdev et al. Ways to reach lower detection limits of lateral flow immunoassays
US9383354B2 (en) Anti-antibody reagent
KR101232499B1 (en) Device and method for identifying mycotoxins
US9599609B2 (en) Lateral flow strip assay with immobilized conjugate
US5770457A (en) Rapid oneside single targeting (ROST) immunoassay method
JP5683543B2 (en) Chromatograph kit and chromatographic method
US8822231B2 (en) Assay method and device
US20210072237A1 (en) Method and device for determining biological analytes
EP0564494B1 (en) Test method and reagent kit therefor
CN112014374A (en) Surface-enhanced Raman immunoassay planar sensor and preparation method and application thereof
US20230305001A1 (en) Ultra-sensitive digital rapid chromatographic assay system and method for analytes detection
JP2001033454A (en) Method and apparatus for determining substance to be detected on porous solid-phase ligand measuring test piece
WO2019081361A1 (en) Universal lateral flow immunoassay
RU2789545C1 (en) Method for highly sensitive competitive immunochromatographic analysis
CN116413445A (en) Detection card, kit and detection method for detecting total thyroxine content
KR101726181B1 (en) Immunochromatography Analysis Device
Sharma et al. Identification of analyte of interest through lateral flow assay
US20220404347A1 (en) Methods for detecting an analyte using structure switching binding agents
US20160169884A1 (en) Device and method for biological analyses
JP4440540B2 (en) Assay method and kit therefor
JPS61132869A (en) Immunological analysis
RAYEV et al. Design and Application of Multi-Purpose Test System using Non-Enzymatic Diagnostic Sets for Non-Instrumental Assay of Specific Antibodies
Li et al. Novel Lockable Fluorescent Lateral Immunoassay Strip with Oriented Modified Antibody for the Rapid Detection of Acetamiprid in Vegetables