stringtranslate.com

Микрочип антител

Образцы создания и обнаружения микрочипов антител.

Микрочип антител (также известный как массив антител ) представляет собой специфическую форму микрочипа белков . В этой технологии набор захваченных антител наносится и фиксируется на твердой поверхности, такой как стекло, пластик, мембрана или кремниевый чип, и обнаруживается взаимодействие между антителом и его целевым антигеном. Микрочипы антител часто используются для обнаружения экспрессии белка из различных биожидкостей, включая сыворотку, плазму и лизаты клеток или тканей. Массивы антител могут использоваться как для фундаментальных исследований, так и для медицинских и диагностических приложений. [1] [2] [3] [4]

Фон

Концепция и методология микроматриц антител были впервые представлены Цзэ Вэнь Чангом в 1983 году в научной публикации [5] и серии патентов, [6] [7] [8] , когда он работал в Centocor в Малверне, штат Пенсильвания . Чанг ввел термин «матрица антител» и обсудил «массивное» расположение мельчайших пятен антител на небольших стеклянных или пластиковых поверхностях. Он продемонстрировал, что сетку 10×10 (всего 100) и 20×20 (всего 400) пятен антител можно разместить на поверхности 1×1 см. Он также подсчитал, что если антитело покрыто при концентрации 10 мкг/мл, что является оптимальной для большинства антител, 1 мг антитела может создать 2 000 000 точек диаметром 0,25 мм. Изобретение Чанга было сосредоточено на использовании микрочипов антител для обнаружения и количественной оценки клеток, несущих определенные поверхностные антигены, такие как антигены CD и аллотипические антигены HLA , корпускулярные антигены, такие как вирусы и бактерии, и растворимые антигены. Принцип «одно применение образца, множественные определения», конфигурация анализа и механика размещения абсорбирующих точек, описанные в статье и патентах, должны быть в целом применимы к различным видам микрочипов . Когда Це Вэнь Чанг и Нэнси Т. Чанг создавали Tanox , Inc. в Хьюстоне, штат Техас, в 1986 году, они приобрели права на патенты на матрицы антител у Centocor как часть технологической базы для создания своего нового стартапа. Их первым продуктом в разработке был анализ, называемый «иммуносорбентной цитометрией» [9] , который можно было использовать для мониторинга иммунного статуса, т. е. концентрации и соотношения Т-клеток CD3 + , CD4 + и CD8 + в крови ВИЧ -инфицированных людей.

Теоретическая основа для анализа связывания лигандов на основе белковых микрочипов была дополнительно разработана Роджером Экинсом и коллегами в конце 1980-х годов. [10] [11] [12] Согласно модели, микрочипы антител не только позволят проводить одновременный скрининг панели аналитов, но и будут более чувствительными и быстрыми, чем обычные методы скрининга. Интерес к скринингу больших наборов белков возник только в результате достижений в геномике с помощью ДНК-микрочипов и проекта «Геном человека» .

Первые подходы к массивам пытались миниатюризировать биохимические и иммунобиологические анализы, обычно выполняемые в 96-луночных микротитровальных планшетах. В то время как массивы антител на основе 96-луночных планшетов обладают высокой пропускной способностью, небольшая площадь поверхности в каждой лунке ограничивает количество пятен антител и, таким образом, количество обнаруженных аналитов. Другие твердые носители, такие как стеклянные слайды и нитроцеллюлозные мембраны, впоследствии использовались для разработки массивов, которые могли бы вмещать более крупные панели антител. [13] Массивы на основе нитроцеллюлозных мембран гибкие, простые в обращении и обладают повышенной способностью связывать белки, но менее поддаются высокопроизводительной или автоматизированной обработке. Химически дериватизированные стеклянные слайды позволяют печатать пятна антител размером с субмикролитр, уменьшая площадь поверхности массива без ущерба для плотности пятна. Это, в свою очередь, уменьшает объем потребляемого образца. Массивы на основе стеклянных слайдов, благодаря своей гладкой и жесткой структуре, также могут быть легко установлены в высокопроизводительных системах обработки жидкостей.

Большинство систем массивов антител используют 1 из 2 неконкурентных методов иммунодетекции: обнаружение с одним антителом (на основе метки) и обнаружение с двумя антителами (на основе сэндвича). Последний метод, в котором обнаружение аналита требует связывания 2 отдельных антител (захватывающего антитела и репортерного антитела, каждое из которых связывается с уникальным эпитопом), обеспечивает большую специфичность и более низкий фоновый сигнал по сравнению с иммунодетекцией на основе меток (где используется только 1 захватывающее антитело, а обнаружение достигается путем химической маркировки всех белков в исходном образце). Массивы антител на основе сэндвича обычно достигают самой высокой специфичности и чувствительности (уровни нг – пг) любого формата массива; их воспроизводимость также позволяет проводить количественный анализ. [14] [15] Из-за сложности разработки пар соответствующих антител, совместимых со всеми другими антителами в панели, небольшие массивы часто используют сэндвич-подход. Напротив, массивы высокой плотности легче разрабатывать при меньших затратах, используя подход на основе одиночной метки антитела. В этой методологии используется один набор специфических антител, и все белки в образце маркируются непосредственно флуоресцентными красителями или гаптенами.

Первоначальное использование систем на основе антител включало обнаружение IgG и определенных подклассов, [16] [17] анализ антигенов, [18] скрининг рекомбинантных антител , [19] [20] изучение дрожжевых протеинкиназ, [21] анализ аутоиммунных антител, [22] и изучение белок-белковых взаимодействий. [23] [24] [25] Первый подход к одновременному обнаружению нескольких цитокинов из физиологических образцов с использованием технологии массива антител был предложен Руо-Пан Хуангом и его коллегами в 2001 году. [26] Их подход использовал мембраны Hybond ECL для обнаружения небольшой панели из 24 цитокинов из кондиционированных сред клеточной культуры и сыворотки пациента и смог профилировать экспрессию цитокинов на физиологических уровнях. Хуанг взял эту технологию и начал новый бизнес, RayBiotech, Inc., первый, кто успешно коммерциализировал планарный массив антител.

За последние десять лет чувствительность метода была улучшена за счет оптимизации химии поверхности, а также специальных протоколов для их химической маркировки. [27] В настоящее время чувствительность массивов антител сопоставима с чувствительностью ИФА [28] [29] , и массивы антител регулярно используются для экспериментов по профилированию образцов тканей, плазмы или сыворотки и многих других типов образцов. Одним из основных направлений исследований профилирования на основе массивов антител является обнаружение биомаркеров, особенно для рака. [30] [31] [32] [33] [34] Для исследований, связанных с раком, в 2010 году было сообщено о разработке и применении массива антител, включающего 810 различных антител, связанных с раком. [35] Также в 2010 году массив антител, включающий 507 цитокинов, хемокинов, адипокинов, факторов роста, ангиогенных факторов, протеаз, растворимых рецепторов, растворимых молекул адгезии и других белков, использовался для скрининга сыворотки пациентов с раком яичников и здоровых людей и обнаружил значительную разницу в экспрессии белка между нормальными и раковыми образцами. [36] Совсем недавно массивы антител помогли определить специфические связанные с аллергией сывороточные белки, уровни которых связаны с глиомой, и могут снизить риск за годы до постановки диагноза. [37] Профилирование белков с помощью массивов антител также оказалось успешным в областях, не связанных с исследованиями рака, в частности, при неврологических заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера. В ряде исследований была предпринята попытка идентифицировать панели биомаркеров, которые могут различать пациентов с болезнью Альцгеймера, и многие использовали массивы антител в этом процессе. Джегер и его коллеги измерили около 600 циркулирующих белков, чтобы обнаружить биологические пути и сети, затронутые болезнью Альцгеймера, и исследовали положительные и отрицательные связи уровней этих отдельных белков и сетей с когнитивными способностями пациентов с болезнью Альцгеймера. [38] В настоящее время крупнейший коммерчески доступный массив антител на основе сэндвича обнаруживает 1000 различных белков. [39] Кроме того, доступны услуги по профилированию белков на основе микрочипов антител, которые анализируют распространенность белков и статус фосфорилирования или убиквитинирования белков 1030 белков параллельно. [40]

Массивы антител часто используются для обнаружения экспрессии белка во многих типах образцов, а также в образцах с различными препаратами. Цзян и коллеги прекрасно проиллюстрировали корреляцию между экспрессией белка массива в двух различных препаратах крови: сыворотке и сухих пятнах крови. [41] Эти различные препараты образцов крови были проанализированы с использованием трех платформ массивов антител: сэндвич-основанной, количественной и основанной на метках, и была обнаружена сильная корреляция в экспрессии белка, что позволяет предположить, что сухие пятна крови, которые являются более удобным, безопасным и недорогим средством получения крови, особенно в негоспитализированных областях общественного здравоохранения, могут эффективно использоваться с анализом массива антител для обнаружения биомаркеров, профилирования белков, а также скрининга, диагностики и лечения заболеваний.

Приложения

Использование микрочипов антител в различных областях медицинской диагностики привлекло внимание исследователей. Цифровой биоанализ является примером таких исследовательских областей. В этой технологии массив микролунок на стеклянном/полимерном чипе засеивается магнитными шариками (покрытыми флуоресцентно мечеными антителами), подвергается воздействию целевых антигенов, а затем характеризуется микроскопом посредством подсчета флуоресцентных лунок. Недавно была продемонстрирована экономически эффективная производственная платформа (с использованием полимеров OSTE ) для таких массивов микролунок, и была успешно охарактеризована модельная система биоанализа. [42] Кроме того, иммуноанализы на каркасах микростолбиков из тиол-еновой «синтетической бумаги» показали, что генерируют превосходный сигнал флуоресценции. [43]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ривас LA, Гарсия-Вильядангос M, Морено-Пас M, Круз-Гил P, Гомес-Эльвира J, Парро V (ноябрь 2008 г.). «Биочип с микроматрицей из 200 антител для мониторинга окружающей среды: поиск универсальных микробных биомаркеров с помощью иммунопрофилирования». Anal. Chem . 80 (21): 7970–9. doi : 10.1021/ac8008093 . PMID  18837515.
  2. ^ Чага ГС (2008). «Массивы антител для определения относительного содержания белков». Протеомика тканей . Методы в молекулярной биологии. Т. 441. С. 129–51. doi :10.1007/978-1-60327-047-2_9. ISBN 978-1-58829-679-5. PMID  18370316.
  3. ^ Wilson JJ; Burgess R.; Mao YQ; Luo S.; Tang H.; Jones VS; et al. (2015). Глава седьмая — Массивы антител в обнаружении биомаркеров . Том 69. С. 255–324. doi :10.1016/bs.acc.2015.01.002. ISBN 9780128022658. PMID  25934364. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  4. ^ Lin Y., Huang RC, Cao X., Wang S.-M., Shi Q., ​​Huang R.-P. (2003). «Обнаружение множественных цитокинов с помощью белковых массивов из клеточного лизата и тканевого лизата». Clin Chem Lab Med . 41 (2): 139–145. doi :10.1515/cclm.2003.023. PMID  12666998. S2CID  34616684.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Chang TW (декабрь 1983 г.). «Связывание клеток с матрицами различных антител, нанесенных на твердую поверхность». J. Immunol. Methods . 65 (1–2): 217–23. doi :10.1016/0022-1759(83)90318-6. PMID  6606681.
  6. ^ Чанг, Це В. Патент США 4,591,570 «Матрица пятен, покрытых антителами, для определения антигенов», Дата приоритета 2 февраля 1983 г.
  7. ^ Чанг, Це В. Патент США 4,829,010 «Устройство для иммуноанализа, включающее матрицы пятен антител для определения клеток», Дата приоритета 13 марта 1987 г.
  8. ^ Чанг, Це В. Патент США 5,100,777 «Устройство на основе матрицы антител и метод оценки иммунного статуса», Дата приоритета 27 апреля 1987 г.
  9. ^ Chang TW (март 1993 г.). «Иммуносорбентная цитометрия». Биотехнология . 11 (3): 291–3. doi :10.1038/nbt0393-291. PMID  7765290. S2CID  35328421.
  10. ^ Ekins RP (1989). «Мультианалитный иммуноанализ». J Pharm Biomed Anal . 7 (2): 155–68. doi :10.1016/0731-7085(89)80079-2. PMID  2488616.
  11. ^ Экинс РП, Чу ФВ (ноябрь 1991 г.). «Мультианалитный микроточечный иммуноанализ — микроаналитический «компакт-диск» будущего». Clin. Chem . 37 (11): 1955–67. doi :10.1016/0167-7799(94)90111-2. PMID  1934470.
  12. ^ Ekins RP (сентябрь 1998 г.). «Лигандные анализы: от электрофореза до миниатюризированных микрочипов». Clin. Chem . 44 (9): 2015–30. doi : 10.1093/clinchem/44.9.2015 . PMID  9733000.
  13. ^ Jiang, W., Mao, YQ, Huang, R., Duan, C., Xi, Y., Yang, K., & Huang, RP (2014). «Профилирование экспрессии белка с помощью анализа массива антител с использованием образцов высушенных пятен крови на фильтровальной бумаге». Журнал иммунологических методов . 403 (1): 79–86. doi :10.1016/j.jim.2013.11.016. PMID  24287424.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Zeng Q., Chen W. (2010). «Функциональное поведение модели совместной культуры макрофагов/фибробластов, полученной от нормальных и диабетических мышей с морским желатином–окисленным альгинатным гидрогелем». Biomaterials . 31 (22): 5772–5781. doi :10.1016/j.biomaterials.2010.04.022. PMC 2876200 . PMID  20452666. 
  15. ^ Sohn Elliott H; et al. (2015). «Аллогенные трансплантаты клеток RPE, полученные из iPSC, вызывают иммунный ответ у свиней: пилотное исследование». Scientific Reports . 5 : 11791. Bibcode :2015NatSR...511791S. doi :10.1038/srep11791. PMC 4490339 . PMID  26138532. 
  16. ^ Silzel JW, Cercek B., Dodson C., Tsay T., Obremski RJ (1998). «Масс-сенсорный, мультианалитный микроматричный иммуноанализ с визуализацией». Clin. Chem . 44 (9): 2036–2043. doi : 10.1093/clinchem/44.9.2036 . PMID  9733002.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Mendoza LG, McQuary P., Mongan A., Gangadharan R., Brignac S., Eggers M. (1999). "Высокопроизводительный иммуноферментный анализ (ELISA) на основе микрочипов". BioTechniques . 27 (4): 778–788. doi : 10.2144/99274rr01 . PMID  10524321.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Lueking A., Horn M., Eickhoff H., Bussow K., Lehrach H., Walter G. (1999). «Белковые микроматрицы для экспрессии генов и скрининга антител». Anal. Biochem . 270 (1): 103–111. doi :10.1006/abio.1999.4063. PMID  10328771.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ^ de Wildt, RM, Mundy, CR, Gorick, BD, и Tomlinson, IM (2000) Массивы антител для высокопроизводительного скрининга взаимодействий антитело-антиген. Nature Biotechnol. 18, 989–994
  20. ^ Холт Л. Дж., Буссов К., Уолтер Г., Томлинсон ИМ (2000). «Обход селекции: прямой скрининг взаимодействий антитело–антиген с использованием белковых массивов». Nucleic Acids Res . 28 (15): E72. doi :10.1093/nar/28.15.e72. PMC 102691. PMID  10908365. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Zhu H., Klemic JF, Chang S., Bertone P., Casamayor A., ​​Klemic KG, Smith D., Gerstein M., Reed MA, Snyder M. (2000). «Анализ дрожжевых протеинкиназ с использованием белковых чипов». Nature Genetics . 26 (3): 283–289. doi :10.1038/81576. PMID  11062466. S2CID  9238048.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. ^ Joos TO, Schrenk M., Hopfl P., Kroger K., Chowdhury U., Stoll D., Schorner D., Durr M., Herick K., Rupp S., Sohn K., Hammerle H. (2000). «Микроматричный иммуноферментный анализ для аутоиммунной диагностики». Электрофорез . 21 (13): 2641–2650. doi :10.1002/1522-2683(20000701)21:13<2641::aid-elps2641>3.0.co;2-5. PMID  10949141. S2CID  24008668.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ Уолтер Г., Буссов К., Кэхилл Д., Люкинг А., Лехрах Х. (2000). «Белковые массивы для скрининга экспрессии генов и молекулярных взаимодействий». Curr. Opin. Microbiol . 3 (3): 298–302. doi :10.1016/s1369-5274(00)00093-x. PMID  10851162.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  24. ^ Служба РФ (2000). «Биохимия: белковые массивы выходят из тени ДНК». Наука . 289 (5485): 1673. doi :10.1126/science.289.5485.1673. PMID  11001728. S2CID  2753950.
  25. ^ Wang Y., Wu TR, Cai S., Welte T., Chin YE (2000). "Stat1 как компонент сигнального комплекса рецептора фактора некроза опухоли альфа 1-TRADD для ингибирования активации NF-κB". Молекулярная и клеточная биология . 20 (13): 4505–4512. doi :10.1128/mcb.20.13.4505-4512.2000. PMC 85828. PMID 10848577  . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ Р.-П. Хуан. (2001). Одновременное обнаружение нескольких белков с помощью иммуноферментного анализа (ИФА) на основе массива и усиленной хемилюминесценции (ЭХЛ). Clin. Chem. Lab. Med. 39:209-214.
  27. ^ Kusnezow W, Banzon V, Schröder C, Schaal R, Hoheisel JD, Rüffer S, Luft P, Duschl A, Syagailo YV (2007). "Профилирование сложных образцов на основе микрочипов антител: систематическая оценка стратегий маркировки". Proteomics . 7 (11): 1786–99. doi :10.1002/pmic.200600762. PMID  17474144. S2CID  9852887.
  28. ^ Kusnezow W, Banzon V, Schröder C, Schaal R, Hoheisel JD, Rüffer S, Luft P, Duschl A, Syagailo YV (2007). "Профилирование сложных образцов на основе микрочипов антител: систематическая оценка стратегий маркировки". Proteomics . 7 (11): 1786–99. doi :10.1002/pmic.200600762. PMID  17474144. S2CID  9852887.
  29. ^ Wingren Christer, Ingvarsson Johan, Dexlin Linda, Szul Dominika, Borrebaeck Carl AK (2007). «Разработка микрочипов рекомбинантных антител для комплексного анализа протеома: выбор метки для маркировки образца и твердой подложки». Proteomics . 7 (17): 3055–3065. doi :10.1002/pmic.200700025. PMID  17787036. S2CID  29548647.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  30. ^ Alhamdani, MS; Schröder, C; Hoheisel, JD (6 июля 2009 г.). "Онкопротеомное профилирование с использованием микрочипов антител". Геномная медицина 1 (7): 68
  31. ^ Jones VS, Huang RY, Chen LP, Chen ZS, Fu L., Huang RP (2016). «Цитокины в устойчивости к лекарствам от рака: подсказки к новым терапевтическим стратегиям». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Обзоры рака . 1865 (2): 255–265. doi : 10.1016/j.bbcan.2016.03.005 . PMID  26993403.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  32. ^ Burkholder B., Burgess RYR, Luo SH, Jones VS, Zhang WJ, Lv ZQ, Gao C.-Y., Wang B.-L., Zhang Y.-M., Huang R.-P. (2014). «Вызванные опухолью нарушения цитокинов и сетей иммунных клеток». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Обзоры рака . 1845 (2): 182–201. doi : 10.1016/j.bbcan.2014.01.004 . PMID  24440852.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  33. ^ Lin Y.; Luo S.; Shao N.; Wang S.; Duan C.; Burkholder B.; et al. (2013). «Заглянуть в черный ящик: как массивы антител к цитокинам проливают свет на молекулярные механизмы развития рака молочной железы и его лечения». Current Proteomics . 10 (4): 269–277. doi :10.2174/1570164610666131210233343.
  34. ^ Хуан Р.-П. (2007). «Множество возможностей в исследовании рака с использованием массивов антител к цитокинам». Expert Review of Proteomics . 4 (2): 299–308. doi :10.1586/14789450.4.2.299. PMID  17425464. S2CID  30102746.
  35. ^ Schröder C, Jacob A, Tonack S, Radon TP, Sill M, Zucknick M, Rüffer S, Costello E, Neoptolemos JP, Crnogorac-Jurcevic T, Bauer A, Fellenberg K, Hoheisel JD (2010). «Двухцветное протеомное профилирование сложных образцов с помощью микроматрицы из 810 антител, связанных с раком». Молекулярная и клеточная протеомика . 9 (6): 1271–80. doi : 10.1074/mcp.m900419-mcp200 . PMC 2877986. PMID  20164060 . 
  36. ^ Huang R., Jiang W., Yang J., Mao YQ, Zhang Y., Yang W., Yang D., Burkholder B., Huang RF, Huang RP (2010). «Массив антител на основе биотиновой метки для высококонтентного профилирования экспрессии белка». Cancer Genomics Proteomics . 7 (3): 129–41. PMID  20551245.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  37. ^ Шварцбаум Дж.; Северин М.; Холломан К.; Харрис Р.; Хандельман СК; Ремпала ГА; и др. (2015). «Связь между сывороточными цитокинами, связанными с преддиагностикой аллергии, и глиомой». PLOS ONE . 10 (9): e0137503. Bibcode : 2015PLoSO..1037503S. doi : 10.1371/journal.pone.0137503 . PMC 4564184. PMID  26352148 . 
  38. ^ Jaeger PA; Lucin KM; Britschgi M.; Vardarajan B.; Huang R.-P.; Kirby ED; et al. (2016). «Сетевая плазменная протеомика раскрывает молекулярные изменения в мозге при болезни Альцгеймера». Молекулярная нейродегенерация . 11 (1): 31. doi : 10.1186/s13024-016-0105-4 . PMC 4877764. PMID  27216421 . 
  39. ^ RayBiotech, Inc. Массивы антител. (2017). Получено с веб-сайта RayBiotech, Inc. http://www.raybiotech.com/antibody-array.html
  40. ^ "Sciomics: антитело встречает микрочип - scioPhospho". www.sciomics.de . Получено 24.04.2018 .
  41. ^ Jiang, W., Mao, YQ, Huang, R., Duan, C., Xi, Y., Yang, K., & Huang, RP (2014). «Профилирование экспрессии белка с помощью анализа массива антител с использованием образцов высушенных пятен крови на фильтровальной бумаге». Журнал иммунологических методов . 403 (1): 79–86. doi :10.1016/j.jim.2013.11.016. PMID  24287424.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  42. ^ Декроп Дебора (2017). «Одношаговый импринтинг фемтолитровых микролуночных массивов позволяет проводить цифровые биоанализы с аттомолярным пределом обнаружения». ACS Applied Materials & Interfaces . 9 (12): 10418–10426. doi :10.1021/acsami.6b15415. PMID  28266828.
  43. ^ Го, В; Вилаплана, Л; Ханссон, Дж; Марко, П; ван дер Вейнгаарт, W (2020). «Иммуноанализы на тиол-еновой синтетической бумаге дают превосходный сигнал флуоресценции». Биосенсоры и биоэлектроника . 163 : 112279. doi : 10.1016/j.bios.2020.112279. hdl : 10261/211201 . PMID  32421629. S2CID  218688183.