Иммуноферментный анализ ( ИФА ) ( / ɪ ˈ l aɪ z ə / , / ˌ iː ˈ l aɪ z ə / ) — это широко используемый аналитический биохимический анализ , впервые описанный Евой Энгвалл и Питером Перлманном в 1971 году. [1] Анализ представляет собой твердофазный тип иммуноферментного анализа (ИФА) для обнаружения присутствия лиганда ( обычно белка) в жидком образце с использованием антител, направленных против измеряемого лиганда. ИФА использовался в качестве диагностического инструмента в медицине, фитопатологии и биотехнологии , а также для проверки качества в различных отраслях промышленности.
В самой простой форме ИФА антигены из образца, который нужно протестировать, прикрепляются к поверхности. Затем на поверхность наносится соответствующее антитело , чтобы оно могло связать антиген. Это антитело связывается с ферментом, а затем все несвязанные антитела удаляются. На последнем этапе добавляется вещество, содержащее субстрат фермента . Если связывание произошло, последующая реакция дает обнаруживаемый сигнал, чаще всего изменение цвета.
Проведение ИФА включает по крайней мере одно антитело со специфичностью к определенному антигену. Образец с неизвестным количеством антигена иммобилизуется на твердой подложке (обычно на полистироловом микротитровальном планшете ) либо неспецифически (путем адсорбции на поверхности), либо специфически (путем захвата другим антителом, специфичным к тому же антигену, в «сэндвич» ИФА). После иммобилизации антигена добавляется детектирующее антитело, образуя комплекс с антигеном. Детектирующее антитело может быть ковалентно связано с ферментом или может само быть обнаружено вторичным антителом , которое связано с ферментом посредством биоконъюгации . Между каждым этапом планшет обычно промывают слабым раствором детергента для удаления любых неспецифически связанных белков или антител. После заключительного этапа промывки планшет проявляют путем добавления ферментативного субстрата для получения видимого сигнала , который указывает на количество антигена в образце.
Следует отметить, что ИФА может выполнять другие формы анализов связывания лигандов вместо строго «иммунных» анализов, хотя название носило оригинальное «иммуно» из-за общего использования и истории развития этого метода. Метод по сути требует любого лигирующего реагента, который может быть иммобилизован на твердой фазе вместе с реагентом обнаружения, который будет специфически связываться и использовать фермент для генерации сигнала, который может быть правильно количественно определен. В промежутках между промывками только лиганд и его специфически связывающие аналоги остаются специфически связанными или «иммуносорбированными» за счет взаимодействия антиген-антитело с твердой фазой, в то время как неспецифические или несвязанные компоненты смываются. В отличие от других форматов спектрофотометрических мокрых лабораторных анализов, где одна и та же реакционная лунка (например, кювета) может быть повторно использована после промывки, планшеты ИФА имеют продукты реакции, иммуносорбированные на твердой фазе, которая является частью планшета, и поэтому их нелегко использовать повторно.
Как аналитический биохимический анализ и метод «мокрой лаборатории», ИФА включает обнаружение аналита ( т. е. конкретного вещества, присутствие которого количественно или качественно анализируется) в жидком образце методом, который продолжает использовать жидкие реагенты во время анализа (т. е. контролируемая последовательность биохимических реакций, которые будут генерировать сигнал, который можно легко количественно определить и интерпретировать как меру количества аналита в образце), который остается жидким и остается внутри реакционной камеры или скважины, необходимой для содержания реагентов. [2] [3] Это отличается от методов «сухой лаборатории», которые используют сухие полоски. Даже если образец жидкий (например, измеренная небольшая капля), конечный этап обнаружения в «сухом» анализе включает считывание высушенной полоски такими методами, как рефлектометрия , и не требует камеры для сдерживания реакции, чтобы предотвратить переливание или смешивание между образцами. [4]
В качестве гетерогенного анализа ИФА разделяет некоторые компоненты аналитической реакционной смеси путем адсорбции определенных компонентов на твердой фазе, которая физически иммобилизована. В ИФА жидкий образец добавляется на неподвижную твердую фазу со специальными связывающими свойствами, а затем последовательно добавляются несколько жидких реагентов, инкубируются и промываются, после чего происходит некоторое оптическое изменение (например, появление цвета продуктом ферментативной реакции) в конечной жидкости в лунке, из которой измеряется количество аналита. Количественное «считывание» обычно основано на обнаружении интенсивности прошедшего света с помощью спектрофотометрии , которая включает количественное определение пропускания некоторой определенной длины волны света через жидкость (а также прозрачное дно лунки в формате многолуночного планшета). [2] [3] Чувствительность обнаружения зависит от усиления сигнала во время аналитических реакций. Поскольку ферментативные реакции являются хорошо известными процессами амплификации, сигнал генерируется ферментами, которые связаны с реагентами обнаружения в фиксированных пропорциях, что позволяет проводить точную количественную оценку, отсюда и название «связанный с ферментами» [5] .
Аналит также называется лигандом, потому что он специфически связывается или лигируется с реагентом обнаружения, таким образом, ИФА попадает в более широкую категорию анализов связывания лигандов . [2] Лиганд-специфический связывающий реагент «иммобилизован», т. е. обычно покрыт и высушен на прозрачном дне, а иногда и на боковой стенке лунки [6] (стационарная «твердая фаза»/«твердый субстрат» здесь в отличие от твердых микрочастиц/бусин, которые можно смыть), которая обычно сконструирована как многолуночный планшет, известный как «планшет ИФА». Традиционно, как и в других формах иммуноанализов , используется специфичность реакции типа антиген - антитело , потому что легко получить антитело, специфичное к антигену в большом количестве в качестве реагента. В качестве альтернативы, если сам аналит является антителом, его целевой антиген может быть использован в качестве связывающего реагента. [7]
До разработки ИФА единственным вариантом проведения иммуноанализа был радиоиммуноанализ — метод с использованием радиоактивно меченых антигенов или антител. В радиоиммуноанализе радиоактивность обеспечивает сигнал, который указывает на наличие в образце специфического антигена или антитела. Радиоиммуноанализ был впервые описан в научной статье Розалин Сассман Ялоу и Соломона Берсона , опубликованной в 1960 году. [8]
Поскольку радиоактивность представляет потенциальную угрозу для здоровья, искали более безопасную альтернативу. Подходящая альтернатива радиоиммуноанализу заменила бы радиоактивный сигнал нерадиоактивным. Когда ферменты (например, пероксидаза хрена ) реагируют с соответствующими субстратами (например, ABTS или TMB ), происходит изменение цвета, которое используется в качестве сигнала. Однако сигнал должен быть связан с присутствием антитела или антигена, поэтому фермент должен быть связан с соответствующим антителом. Этот процесс связывания был независимо разработан Стратисом Аврамеасом и ГБ Пирсом. [9] Поскольку необходимо удалить любое несвязанное антитело или антиген путем промывания, антитело или антиген должны быть зафиксированы на поверхности контейнера; т. е. должен быть подготовлен иммуносорбент. Методика для достижения этого была опубликована Уайдом и Джеркером Поратом в 1966 году. [10]
В 1971 году Питер Перлманн и Ева Энгвалл из Стокгольмского университета в Швеции, а также Антон Шурс и Бауке ван Веемен из Нидерландов независимо друг от друга опубликовали статьи, в которых эти знания были синтезированы в методы проведения ИФА/ИФА. [11] [12]
Традиционный ИФА обычно включает хромогенные репортеры и субстраты, которые производят некоторое видимое изменение цвета, чтобы указать на присутствие антигена или аналита. Более новые методы, подобные ИФА, используют флуорогенные , электрохемилюминесцентные и количественные ПЦР- репортеры для создания количественных сигналов. Эти новые репортеры могут иметь различные преимущества, включая более высокую чувствительность и мультиплексирование . [13] [14] С технической точки зрения, более новые анализы этого типа не являются строго ИФА, поскольку они не являются «ферментно-связанными», а вместо этого связаны с каким-либо неферментативным репортером. Однако, учитывая, что общие принципы в этих анализах во многом схожи, их часто группируют в ту же категорию, что и ИФА.
В 2012 году сверхчувствительный тест ELISA на основе ферментов с использованием наночастиц в качестве хромогенного репортера смог дать невооруженным глазом цветовой сигнал, обнаруживая простые аттограммы аналита. Синий цвет появляется для положительных результатов, а красный — для отрицательных. Обратите внимание, что это обнаружение может подтвердить только наличие или отсутствие аналита, а не фактическую концентрацию. [15]
Существует множество тестов ELISA для определенных молекул, которые используют соответствующие антитела. Тесты ELISA делятся на несколько типов тестов в зависимости от того, как аналиты и антитела связаны и используются. [16] [17] Основные типы описаны здесь. [18]
Этапы прямого ИФА [19] следуют следующему механизму:
Фермент действует как усилитель; даже если только несколько связанных с ферментом антител остаются связанными, молекулы фермента будут производить много сигнальных молекул. В пределах ограничений здравого смысла фермент может продолжать производить цвет бесконечно, но чем больше антител связано, тем быстрее будет развиваться цвет. Основным недостатком прямого ИФА является то, что метод иммобилизации антигена не является специфическим; когда сыворотка используется в качестве источника тестового антигена, все белки в образце могут прилипать к лунке микротитровального планшета, поэтому небольшие концентрации аналита в сыворотке должны конкурировать с другими сывороточными белками при связывании с поверхностью лунки. Сэндвич или непрямой ИФА обеспечивает решение этой проблемы, используя «захватывающее» антитело, специфичное для тестового антигена, чтобы вытащить его из молекулярной смеси сыворотки. [ необходима цитата ]
ELISA может проводиться в качественном или количественном формате. Качественные результаты дают простой положительный или отрицательный результат (да или нет) для образца. Порог между положительным и отрицательным результатом определяется аналитиком и может быть статистическим. Для различения положительных и отрицательных образцов часто используется двух- или трехкратное стандартное отклонение (ошибка, присущая тесту). В количественном ELISA оптическая плотность (OD) образца сравнивается со стандартной кривой, которая обычно представляет собой последовательное разбавление раствора целевой молекулы с известной концентрацией. Например, если тестовый образец возвращает OD 1,0, точка на стандартной кривой, которая дала OD = 1,0, должна иметь ту же концентрацию аналита, что и образец. [ необходима цитата ]
Использование и значение названий «непрямой ИФА» и «прямой ИФА» различаются в литературе и на веб-сайтах в зависимости от контекста эксперимента. Когда анализируется наличие антигена, название «прямой ИФА» относится к ИФА, в котором используется только меченое первичное антитело, а термин «непрямой ИФА» относится к ИФА, в котором антиген связывается первичным антителом, которое затем обнаруживается меченым вторичным антителом. В последнем случае сэндвич-ИФА четко отличается от непрямого ИФА. Когда «первичное» антитело представляет интерес, например, в случае анализов иммунизации, это антитело напрямую обнаруживается вторичным антителом, а термин «непрямой ИФА» применяется к настройке с двумя антителами. [ необходима цитата ]
Для обнаружения антигена в образце используется «сэндвич» ИФА. [20] Этапы следующие:
Изображение справа включает использование вторичного антитела, конъюгированного с ферментом, хотя, с технической точки зрения, это не обязательно, если первичное антитело конъюгировано с ферментом (что было бы прямым ИФА). Однако использование конъюгата вторичного антитела позволяет избежать дорогостоящего процесса создания связанных с ферментом антител для каждого антигена, который может потребоваться обнаружить. Используя связанное с ферментом антитело, которое связывает Fc-область других антител, это же связанное с ферментом антитело можно использовать в различных ситуациях. Без первого слоя «захватывающего» антитела любые белки в образце (включая сывороточные белки) могут конкурентно адсорбироваться на поверхности пластины, что снижает количество иммобилизованного антигена. Использование очищенного специфического антитела для прикрепления антигена к пластику устраняет необходимость очистки антигена от сложных смесей перед измерением, упрощая анализ и повышая специфичность и чувствительность анализа. Поэтому сэндвич-ИФА, используемый для исследований, часто требует проверки, чтобы снизить риск ложноположительных результатов. [21]
Третье применение ELISA — конкурентное связывание. Этапы этого ELISA несколько отличаются от первых двух примеров:
Немеченое антитело инкубируют в присутствии его антигена (образца).
Некоторые конкурентные наборы ELISA включают фермент-связанный антиген вместо фермент-связанного антитела. Меченый антиген конкурирует за первичные сайты связывания антитела с антигеном образца (немеченым). Чем меньше антигена в образце, тем больше меченого антигена удерживается в лунке и тем сильнее сигнал.
Обычно антиген не помещают в лунку заранее.
Для обнаружения антител к ВИЧ лунки микротитрационного планшета покрывают антигеном ВИЧ. Используются два специфических антитела, одно из которых конъюгировано с ферментом, а другое присутствует в сыворотке (если сыворотка положительна на антитело). Между двумя антителами происходит кумулятивная конкуренция за один и тот же антиген, что приводит к появлению более сильного сигнала. Тестируемая сыворотка добавляется в эти лунки и инкубируется при 37 °C, а затем промывается. Если присутствуют антитела, происходит реакция антиген-антитело. Для специфических антител ВИЧ, меченых ферментом, антигена не остается. Эти антитела остаются свободными при добавлении и смываются во время промывания. Субстрат добавляется, но фермента, который мог бы на него воздействовать, нет, поэтому положительный результат не показывает изменения цвета.
Четвертый тест ИФА не использует традиционные лунки, а оставляет антигены взвешенными в тестовой жидкости. [22] [23]
Этот тест позволяет одновременно маркировать и подсчитывать несколько антигенов. Это позволяет идентифицировать определенные штаммы бактерий по двум (или более) различным цветным меткам. Если на клетке присутствуют обе метки, то клетка является этим определенным штаммом. Если присутствует только одна, то это не так.
Этот тест обычно проводится по одному тесту за раз и не может быть выполнен с помощью микротитровальной пластины. Необходимое оборудование обычно менее сложное и может использоваться в полевых условиях.
В следующей таблице перечислены ферментные маркеры, обычно используемые в анализах ИФА, которые позволяют оценить результаты анализа по его завершении.
Поскольку ИФА можно использовать для оценки наличия антигена или антител в образце, он является полезным инструментом для определения концентрации сывороточных антител (например, при тесте на ВИЧ [26] или вирус Западного Нила ). Он также нашел применение в пищевой промышленности для обнаружения потенциальных пищевых аллергенов , таких как молоко , арахис , грецкие орехи , миндаль и яйца [27], а также в качестве серологического анализа крови на целиакию . [28] [29] ИФА также может использоваться в токсикологии в качестве быстрого предполагаемого скрининга для определенных классов лекарств.
ELISA был первым скрининговым тестом, широко используемым для ВИЧ из-за его высокой чувствительности. В ELISA сыворотка человека разбавляется в 400 раз и наносится на пластину, к которой прикреплены антигены ВИЧ. Если в сыворотке присутствуют антитела к ВИЧ, они могут связываться с этими антигенами ВИЧ. Затем пластина промывается для удаления всех других компонентов сыворотки. Затем на пластину наносится специально подготовленное «вторичное антитело» — антитело, которое связывается с другими антителами, после чего следует еще одна промывка. Это вторичное антитело заранее химически связано с ферментом.
Таким образом, пластина будет содержать фермент пропорционально количеству вторичных антител, связанных с пластиной. Применяется субстрат для фермента, и катализ ферментом приводит к изменению цвета или флуоресценции. Результаты ИФА сообщаются в виде числа; наиболее спорным аспектом этого теста является определение «точки отсечения» между положительным и отрицательным результатом.
Точку отсечения можно определить, сравнив ее с известным стандартом. Если тест ELISA используется для скрининга наркотиков на рабочем месте, устанавливается пороговая концентрация, например, 50 нг/мл, и готовится образец, содержащий стандартную концентрацию аналита. Неизвестные, которые генерируют более сильный сигнал, чем известный образец, являются «положительными». Те, которые генерируют более слабый сигнал, являются «отрицательными».
Существуют тесты ELISA для обнаружения различных видов заболеваний, таких как лихорадка денге , малярия , болезнь Шагаса , [30] болезнь Джона и другие. [31] Тесты ELISA также широко используются для диагностики in vitro в медицинских лабораториях . Другие применения ELISA включают:
По состоянию на 2023 год ИФА является основным методом обнаружения фитопатогенов во всем мире. [33]
eSimoa (матрица отдельных молекул, связанных с ферментом) представляет собой значительную эволюцию традиционной техники ELISA (иммуноферментный анализ), которая широко используется в клинической диагностике и исследованиях. Значительно повышая чувствительность и разрешение биомолекулярного обнаружения, eSimoa расширяет возможности ELISA, позволяя обнаруживать биомолекулы в концентрациях, ранее недостижимых с помощью стандартных анализов. [34]
Основываясь на основополагающих принципах ИФА, eSimoa использует парамагнитные шарики для изоляции биомолекул или ферментов способом, схожим с обнаружением на основе планшета в ИФА. Однако eSimoa развивает эту концепцию, позволяя проводить измерения ферментативных реакций на уровне отдельных молекул, что значительно улучшает пределы обнаружения различных ферментов и биомолекул. Этот метод позволяет точно количественно определять малораспространенные белки и активность критических ферментов, таких как протеинкиназы и теломеразы, которые часто находятся ниже порога обнаружения обычного ИФА.
Повышенная чувствительность eSimoa имеет решающее значение для раннего и точного обнаружения биомаркеров в клинической диагностике, способствуя лучшему мониторингу и лечению заболеваний. В разработке лекарств способность отслеживать тонкие изменения в ферментативной активности помогает в разработке более эффективных фармацевтических препаратов, предоставляя детальное представление о механизмах ингибирования ферментов.
Чи-Ань Ченг из Национального тайваньского университета (NTU) заявила, что ее команда разработала эту инновационную технологию. [35] [36] Однако это утверждение оспаривается существованием более ранних публикаций команды Дэвида Р. Уолта из Гарвардского университета, которые опубликовали свою работу на eSimoa в 2020 году. [37] [38] Эта более ранняя документация команды Уолта предполагает предшествующий вклад в разработку технологии.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ) [ постоянная мертвая ссылка ]