Способ контроля биологической пробы в реакции латекс-агглютинации и аналитическая система для его осуществления

Способ контроля биологической пробы в реакции латекс-агглютинации и аналитическая система для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к аналитическому приборостроению и могут быть использованы при изготовлении и использовании биочипных микроаналитических систем контроля биологических взвесей в реакции латекс-агглютинации.

Известен способ контроля биологической пробы в реакции латекс-агглютинации, предусматривающий обработку исследуемой пробы комплементарными компонентами, иммобилизованными на поверхности латексных частиц с последующим инкубированием реакционной смеси на предметном стекле или в прозрачных лунках планшета и визуальным учетом результатов реакции по признаку выпадания хлопьев конгломератов агрегированной реакционной смеси в случае связывания комплементарных компонентов (см., например: Чайка Н.А. // Иммунологическая диагностика вирусных инфекций. - М.: Медицина, 1985; US 4331649, G01N 33/50, 33/54, 33/68, 1982; RU 2015512, G01N 33/53, А61К 39/09, 1994; RU 2113172, А61В 10/00, А61К 39/05, G01N 33/536, 1998).

Для повышения специфичности и чувствительности способа операцию иммобилизации латексных частиц комплементарными компонентами проводят под действием поля ультразвуковых колебаний (RU 2177617, G01N 33/567, 33/546, 2001).

Операции подготовки и инкубирования пробы могут быть оптимизированы в отношении рН с помощью буферного раствора (RU 2188428, G01N 33/569, 33/50, 2002).

Для обнаружения нескольких компонентов анализируемой пробы используют диагностические тест-системы, в которых латексные частицы сенсибилизированы одним или несколькими комплементарными компонентами, дающими цветные реакции латекс-агглютинации, при этом о содержании соответствующих компонентов в пробе судят по окраске хлопьев конгломератов агрегированной реакционной смеси (см., например: US 4745075, G01N 33/53, 33/545, 33/577, 1988).

Тенденция развития данного вида техники заключается в микроминиатюризации средств, используемых для проведения реакции латекс-агглютинации, и автоматизации учета ее результатов. В этой связи известен способ контроля биологической пробы, предусматривающий проведение реакции латекс-агглютинации на биочипе под действием различных физических факторов, таких как электрофорез или электромагнитное поле, на иммобилизованные на латексных частицах комплементарные компоненты биологических структур для их обработки и анализа (WO 0230562, B01L 3/00, C12N 13/00, G01N 27/447, G01N 33/543, 2002).

Основной недостаток проведения реакции латекс-агглютинации на биочипе заключается в сложности заполнения каналов и лунок биочипа реакционной средой из-за гидрофильности поверхностного слоя, образованного на латексном носителе в результате иммобилизации его комплементарными компонентами и образования агрегантов, что общеизвестно (см., например: Muroi S., Hosoi К., Ishikawa T. // J.Appl.Polym. Sci, 1967, v. 11, р.1963; Vyzayendran B.R. // J.Appl.Polym. Sci, 1979, v.23, p.893). Кроме того, гидрофилизированные участки экранируют полимерные цепи иммунореагентов в поверхностном слое латексных частиц, что снижает эффективность целевой реакции (Kondo A. // J. Immunol Methods, 1990, v.135, р.111). Последний недостаток присущ также макровариантам осуществления способа.

Для устранения указанных недостатков в качестве носителя используют гидрофобный латексный материал. Этот принцип осуществлен в ближайшем к заявленному способе контроля биологической пробы в реакции латекс-агглютинации, предусматривающем обработку исследуемой пробы комплементарными компонентами, иммобилизованными на поверхности существенно гидрофобных латексных частиц природного или синтетического каучука, а также стирола или сополимера стирола с бутадиеном с последующим инкубированием реакционной смеси в микротитрационном планшете и учетом результатов реакции визуально на предметном стекле, расположенном на темном фоне, или по изменению мутности с помощью турбидиметра (US 4429040, G01N 33/54, С12Q 1/56, 1984).

Однако данный способ не позволяет исследовать микропробы, а учет результатов неудобен в использовании.

Техническая задача способа заключается в обеспечении возможности проведения реакции латекс-агглютинации с микрообъемом исследуемой биологической пробы. Техническая задача, производная от указанной, заключается в автоматизации процедуры учета результатов реакции, поскольку на микроуровне создаются очевидные препятствия для визуального контроля.

Решение поставленной технической задачи состоит в том, что в способ контроля биологической пробы в реакции латекс-агглютинации, предусматривающий обработку исследуемой пробы комплементарными компонентами, иммобилизованными на поверхности латексных частиц с последующим гидрофобным инкубированием реакционной смеси и учетом результатов реакции, вносятся следующие изменения:

1) реакционную смесь инкубируют и анализируют в прозрачных гидрофобизированных лунках биочипа;

2) объемы компонентов реакции устанавливают из расчета образования на дне ячейки по крайней мере одного монослойного участка реакционной смеси в зоне ее оптического контроля;

3) о положительном результате реакции судят по изменению светопропускания или геометрической формы кристаллов латексных частиц в монослойных участках.

Причинно-следственная связь внесенных изменений в способ с достигнутым техническим результатом заключается в следующем. Для обеспечения возможности анализа микрообъемов реакционной смеси в биочипе необходимо предотвратить растекание проб по его соседним ячейкам (особенно при их заполнении) и обеспечить надежное формирование монослойных участков в зоне оптического контроля реакции, что достигается гидрофобизацией по крайней мере рабочей поверхности (дна) каждой ячейки, что технологичнее, чем использование латексных частиц с существенно гидрофобной поверхностью, имевшее место в прототипе. При этом монослойное покрытие дна ячейки реакционной смесью является также необходимым условием наблюдаемости реакции. При невыполнении этого условия результат положительной реакции является сомнительным либо не наблюдается, что поясняется примерами. Кроме того, в отличие от традиционного анализа биологической пробы в реакции латекс-агглютинации на стекле в предлагаемом способе признак, по которому судят о ее результате, зависит от состава реакционной смеси. Поэтому необходимо предварительно определять характер изменения прозрачности или геометрической формы кристаллов латексных частиц в монослойных участках, вызванных агрегацией связанных комплементарных компонентов при их соотношениях в области порога чувствительности способа.

При техническом осуществлении способа монослойные участки реакционной смеси могут быть сформированы оптимизацией соотношения объемов и концентраций ингредиентов реакционной смеси (сенсибилизированных латексных частиц и пробы) путем титрования пробы под контролем светового или объемного микроскопа. Данная процедура выполняется однократно для каждой серии латекса и пробы. В дальнейшем реакционную смесь составляют из расчета найденных соотношений. Возможно также обеспечение монослойного заполнения камеры за счет выбора биочипа с оптимальным размером лунок по глубине расчетным или экспериментальным путем. В качестве пробы в разведении, превышающем порог чувствительности реакции, удобно использовать так называемую отрицательную пробу, т.е. пробу, не содержащую определяемого компонента.

Специфика постановки реакции и, особенно, учета ее результатов обуславливает специальную конструкцию используемой для их осуществления аналитической системы.

Известна аналитическая система, которая может быть использована для осуществления и контроля реакции латекс-агглютинации, содержащая полистирольный 96-луночный микропланшет, лунки которого сенсибилизированы соответствующим комплементарным антигеном, и сканирующий спектрофотометр для оптического контроля реакции (RU 2196609, А61К 39/265, G01N 33/569, 33/535, 33/543, 2003).

Известна также аналитическая система для осуществления и контроля реакции латекс-агглютинации, содержащая биочип, на который нанесены площадки со связующим для захвата анализируемого компонента, подключенный к сканирующему оптическому анализатору (ЕР 1365249, G01N 37/00, 33/53, 2003).

Наиболее близкой к заявляемой является аналитическая система для осуществления и контроля реакции латекс-агглютинации, содержащая планшет с выполненными в нем прозрачными лунками для реакционных смесей и блок определения оптической плотности реакционных смесей при длине волны 530 нм (WO 2004/077011, G01N, 2004).

Однако данное устройство принципиально не позволяет исследовать микропробы реакционных взвесей из-за значительного объема лунок планшета.

Техническая задача устройства заключается в обеспечении исследования микропробы реакционных взвесей.

Решение технической задачи устройства заключается в том, что в аналитическую систему контроля реакции латекс-агглютинации, содержащую планшет с выполненными в нем прозрачными лунками для реакционных смесей и блок их оптического контроля, вносятся следующие изменения:

1) планшет изготовлен в виде биочипа, прозрачные лунки которого выполнены гидрофобными;

2) блок оптического контроля выполнен на базе оптического микроскопа или видеокамеры.

Гидрофобная поверхность лунок предотвращает растекание вносимых в них компонентов (в том числе по соседним лункам) и обеспечивает возможность формирования монослойных участков по месту оптического контроля реакции.

Для обеспечения гидрофобности и оптической прозрачности лунок биочип целесообразно изготавливать из полиметилметакрилата. Возможно также выполнение лунок с гидрофобным покрытием преимущественно из парафина или стеарина.

Лунки биочипа целесообразно выполнить диаметром от 0,2 до 3 мм глубиной 5÷60 мкм при расстоянии между центрами лунок от 0,3 до 2 мм.

На фиг.1 приведена схема аналитической системы; на фиг.2÷5 приведены микрофотографии исследования положительных и отрицательных проб в реакциях с латексными антигенными и антительными диагностикумами дифтерии, а также антительными диагностикумами ревматоидного фактора и шигеллеза Зонне к приведенным примерам. В табл.1 приведены технические характеристики биочипов, поверхности лунок которых гидрофобизированы различными материалами; в табл.2÷5 приведены результаты титрования биологических проб в реакции латекс-агглютинации к приведенным примерам.

Аналитическая система для осуществления реакции латекс-агглютинации в варианте фиг.1 содержит планшет в виде биочипа, включающего прозрачное основание 1 и нанесенный на него фоторезистивный слой 2, перфорированный сквозными отверстиями с образованием лунок 3. Участки поверхности основания 1 по месту выполнения лунок 3, служащие дном лунок, снабжены гидрофобным покрытием 4. Аналитическая система фиг.1 снабжена также блоком оптического контроля, выполненным на базе видеокамеры. В этом варианте блок оптического контроля включает осветительное устройство 5, установленное с возможностью освещения лунок 3, видеокамеру 6, подключенную к модулю 7 обработки изображения, расположенную с возможностью регистрации изменений светопропускания или геометрической формы кристаллов находящихся в лунках 3 латексных частиц 8 реакционной взвеси.

В варианте выполнения блока оптического контроля на базе оптического микроскопа используют осветительное устройство 5, встроенное в микроскоп в режиме проходящего света, а вместо видеокамеры 6 - оптическую систему микроскопа. При этом просмотр реакции осуществляют визуально через окуляр микроскопа или с помощью фотокамеры, установленной вместо элемента 7. В качестве осветительного устройства 5 на фиг.1 установлен светодиод, а чувствительным элементом видеокамеры служит - ПЗС/КМОП-матрица.

Микрочип для предлагаемой аналитической системы может быть изготовлен следующим образом. На прозрачное основание 1, выполненное из полиметилметакрилата в виде пластины толщиной 1 мм, методом сеткографии наносят фоторезистивный слой 2, представляющий собой композицию резиста GAWN 1109 Resist с отвердителем GAWN 1110 Hardener при объемном соотношении компонентов 2:1 соответственно. Затем методом фотолитографии перфорируют слой 2 сквозными отверстиями диаметром 1 мм при расстоянии между центрами отверстий 1,4 мм для образования лунок 3. Лунки гидрофобизируют обработкой 0,5 мас.% раствором стеарина в циклогексане или расплавом парафина. В данном примере гидрофобизированы не только дно лунок, но и вся поверхность планшета из соображений технологичности изготовления целевого изделия.

После заполнения лунок монослоем реакционных взвесей биочип инкубируют при температуре, требуемой для проведения реакции, в течение срока, достаточного для прохождения реакции. Наблюдают характер изменения светопропускания или геометрической формы кристаллов латексных частиц, находящихся в лунках, до и после инкубирования, по которым судят о результате реакции.

В табл.1 приведены технические характеристики биочипов, лунки которых гидрофобизированы сорбцией 2-4-мкм слоя полидиметилсилоксана, стеарина, солидола и парафина, а также химическим связыванием гидрокситриметилсилана. Контроль - негидрофобизированный полиметилметакрилат (покрытие отсутствует). Учитывали угол смачивания по воде и суспензии латекса (средний диаметр частиц 0,8 мкм), а также прозрачность дна лунки. Как видно из таблицы, угол смачивания по воде в контроле и при покрытии дна лунки солидолом составляет 77-80 град., а при нанесении полидиметилсилоксана, стеарина, парафина и тригидроксиметилсилана - от 100 до 102 град. По латексу для данных групп покрытий угол смачивания составляет 82-88 град. и 105-108 град. соответственно. Наилучшей прозрачностью (++, +++) обладают стеариновое, парафиновое и тригидроксиметилсилановое покрытия. В связи с этим следует предпочесть стеариновое и парафиновое покрытия. Тригидроксиметилсилановое покрытие также обладает наивысшими значениями данных показателей, но его нанесение менее технологично, так как требует химического связывания с подложкой.

Предлагаемые технические решения иллюстрируются следующими примерами.

ПРИМЕР 1. Рабочие разведения латексного дифтерийного антительного диагностикума (ЛДАтД) производства АО "Авиценна" (г.С.-Петербург), представляющего собой 1,2 мас.% взвесь полистирольных карбоксилированных латексных частиц диаметром 0,8 мкм, сенсибилизированных дифтерийным очищенным антитоксином, обрабатывают равными объемами дифтерийного анатоксина в разведениях от 1:10 до 1:10000 в физиологическом буферном растворе (ФБР) и немедленно вносят в гидрофобизированные стеарином лунки биочипа диаметром 1 мм и глубиной 30 мкм аналитической системы фиг.1 под контролем видеокамеры в режиме проходящего света, а также оптического микроскопа в отраженном свете. Реакцию учитывают при монослойном заполнении лунок, а также при 2-3 и свыше 5 слоев латекса или реакционной смеси. Параллельно ставят следующие контроли:

а) ЛДАтД с ФБР, не содержащим дифтерийного анатоксина (отрицательный контроль №1);

б) ЛДАтД с ФБР, содержащим неспецифический антиген (отрицательный контроль №2 изготовителя ЛДАтД);

в) латекс, не сенсибилизированный специфическими антителами (контроль №3 на отсутствие спонтанной агглютинации).

Положительный результат реакции здесь и далее фиксируют при просветлении пробы на "++" и более.

Результаты приведены в табл.2. Как видно из таблицы, предлагаемый способ специфичен и обладает чувствительностью, характеризуемой возможностью надежного определения дифтерийного анатоксина в разведении пробы от 1:40, тогда как в известном способе дифтерийный анатоксин определяется при разведении пробы от 1:10. При этом в случае несоблюдения условия о постановке реакции в монослое чувствительность снижается примерно на 1 порядок.

Результаты микроскопирования проб свидетельствуют об уменьшении потока отраженного света при положительном результате реакции (разведение 1:10 - фиг.2-а) по сравнению с отрицательным контролем (фиг.2-б). В проходящем свете наблюдается инверсная картина: при положительной реакции (фиг.2-в) светопропускание выше, чем в отрицательном контроле (фиг.2-г). Отмечается также изменение геометрической формы наблюдаемых структур, что особенно четко видно из сравнения фиг.2-а и 2-б.

ПРИМЕР 2. Рабочие разведения опытного образца латексного дифтерийного антигенного диагностикума (ЛДАгД) совместного производства ИВС РАН и ИЭМ им.Л.Пастера (г.С.-Петербург), представляющего собой 1,5 мас.% взвесь полистирольных карбоксилированных латексных частиц диаметром 0,81 мкм, сенсибилизированных дифтерийным очищенным анатоксином, с активностью 0,1 Lf/мл обрабатывают равными объемами раствора специфических моноклональных притиводифтерийных иммуноглобулинов с активностью 0,1 МЕ/мл в разведениях от 1:10 до 1:10000 в ФБР и немедленно вносят в лунки биочипа диаметром 1,2 мм и глубиной 30 мкм аналитической системы фиг.1 под контролем видеокамеры в режиме проходящего света, а также оптического микроскопа в отраженном свете.

Параллельно ставят контроли:

а) ЛДАгД с ФБР, не содержащим дифтерийного анатоксина (отрицательный контроль №1);

б) ЛДАгД с сывороткой, содержащей неспецифические антитела (отрицательный контроль №2);

в) латекс, не сенсибилизированный специфическим антигеном (контроль №3 на отсутствие спонтанной агглютинации).

Реакцию учитывают, как в примере 1.

Результаты приведены в табл.3. Как видно из таблицы, предлагаемый способ специфичен и обладает чувствительностью, характеризуемой способностью надежного определения дифтерийного антитоксина в разведении пробы от 1:2000, тогда как в известном способе дифтерийный антитоксин определяется при разведении пробы от 1:10. При этом в случае несоблюдения условия о постановке реакции в монослое чувствительность снижается примерно на 2 порядка.

Результаты микроскопирования проб свидетельствуют об уменьшении потока отраженного света при положительном результате реакции (фиг.3-а, б, в) по сравнению с отрицательным контролем (фиг.3-г). В проходящем свете наблюдается инверсная картина: при положительной реакции (фиг.3-д, е, ж) светопропускание выше, чем в отрицательном контроле (фиг.3-з). Отмечается также изменение геометрической формы наблюдаемых структур, что особенно четко видно из сравнения снимков в отраженном свете.

ПРИМЕР 3. Рабочие разведения латексного диагностикума для обнаружения ревматоидного фактора (ДРФ) производства Предприятия по производству бакпрепаратов Санкт-Петербургского НИИ вакцин и сывороток (г.С.-Петербург), представляющего собой 1,5 мас.% взвесь полистирольных карбоксилированных латексных частиц диаметром 0,6-0,8 мкм, сенсибилизированных антителами к ревматоидному фактору человека, обрабатывают равными объемами положительной пробы сыворотки крови человека из комплекта ДРФ изготовителя в разведениях от 1:10 до 1:1000 в глициновом буферном растворе (ГБР) рН 8,1 и немедленно вносят в лунки биочипа диаметром 1,2 мм и глубиной 30 мкм аналитической системы фиг.1 под контролем видеокамеры и микроскопа.

Параллельно ставят контроли:

а) ДРФ с ГБР, не содержащим ревматоидного фактора (отрицательный контроль №1 изготовителя);

б) ДРФ с разведениями отрицательной пробы сыворотки (отрицательный контроль №2 изготовителя).

Результаты приведены в табл.4. Как видно из таблицы, предлагаемый способ достаточно специфичен и обладает чувствительностью, характеризуемой возможностью надежного определения ревматоидного фактора в разведении пробы от 1:200, тогда как в известном способе ревматоидный фактор определяется при разведении пробы от 1:40. При этом в случае несоблюдения условия о постановке реакции в монослое чувствительность снижается на один порядок. В контроле №2 наблюдается неспецифическая агглютинация при малых разведениях отрицательной сыворотки.

В проходящем свете при положительной реакции (фиг.4-а) светопропускание выше, чем в отрицательном контроле (фиг.4-б).

ПРИМЕР 4. Реакцию латекс-агглютинации проводят, как в примере 1, с использованием латексного антительного шигеллезного диагностикума Зонне производства Предприятия СПбНИИВС. Взвесь диагностикума и пробу смешивают в объемном соотношении 1:5. Разведения пробы проводят в фосфатном солевом буферном растворе (ФСБ), содержащем сывороточный альбумин. Концентрация микробных клеток в исходной пробе - 1 млрд/мл.

Параллельно ставят контроли:

а) диагностикум с ФСБ, не содержащим антигена Зонне (отрицательный контроль №1 изготовителя);

б) латекс, не сенсибилизированный специфическими антителами (отрицательный контроль №2 изготовителя).

Результаты приведены в табл.5. Как видно из таблицы, предлагаемый способ специфичен и обладает чувствительностью, характеризуемой возможностью надежного определения шигелл Зонне в разведении микробной культуры от 1:1280 против 1:640 в известном способе.

Результаты микроскопирования проб свидетельствуют об уменьшении потока отраженного света при положительном результате реакции (фиг.5-а, б) по сравнению с отрицательным контролем (фиг.5-в) по мере уменьшения разведения микробной культуры. В проходящем свете наблюдается инверсная картина: при положительной реакции (фиг.5-г, д) светопропускание выше, чем в отрицательном контроле (фиг.5-е). Отмечается также изменение геометрической формы наблюдаемых структур, что особенно четко видно из сравнения снимков в отраженном свете.

Как пояснено выше, использование предлагаемых технических решений обеспечивает возможность проведения реакции латекс-агглютинации с микрообъемом исследуемой биологической пробы до 0,01÷0,1 мкл. При этом в вариантах примеров №№1 и 2 достигнуто повышение чувствительности определения соответствующих комплиментарных компонентов на 1-2 порядка. Технический результат, производный от достигнутого, заключается в миниатюризации используемых, транспортируемых и хранимых носителей реакционных взвесей (биочипов) и автоматизации процедуры учета реакции за счет использования цифровой фотокамеры или фотовыхода микроскопа. Миниатюризация конструкции имеет следствием снижение материалоемкости изготовления планшета (на базе биочипа).

Таблица 1.
Угол смачивания лунок, гидрофобизированных различными материалами
Гидрофобный материал	Способ гидрофобизации	Угол смачивания, град.	Прозрачность, отн.ед.
по воде	по латексу
Полидиметилсилоксан	химический	100	106	+
Стеарин	адсорбция	101	107	++
Солидол	адсорбция	80	88	+
Парафин*	адсорбция	102	108	+++
Тригидроксиметилсилан	химический	100	105	+++
Полиметилметакрилат	-	77	82	+++
* Parafilm "M" (American National Can)
Таблица 2.
Результаты реакции агглютинации с ЛДАтД к примеру 1.
Обратный титр пробы	Учет реакции при количестве слоев латекса	Макрометод	Контроли
монослой	2÷3	>5	№1	№2	№3
10	+++	++	+	++	-	-	-
20	+++	+	-	+	-	-	-
40	++	-	-	-	-	-	-
100	+	-	-	-	-	-	-
1000	-	-	-	-	-	-	-
2000	-	-	-	-	-	-	-
5000	-	-	-	-	-	-	-
10000	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 3.
Результаты реакции агглютинации ЛДАгД к примеру 2.
Обратный титр пробы	Учет реакции при количестве слоев латекса	Макрометод	Контроли
монослой	2÷3	>5	№1	№2	№3
10	+++	+++	++	++	-	-	+
20	+++	++	+	+	-	-	-
100	+++	+	-	-	-	-	-
1000	++	+	-	-	-	-	-
2000	++	-	-	-	-	-	-
5000	+	-	-	-	-	-	-
10000	-	-	-	-	-	-	-
Таблица 4.
Результаты реакции агглютинации с ДРФ к примеру 3
Обратный титр пробы	Учет реакции при количестве слоев латекса	Макрометод	Контроли
монослой	2÷3	>5	№1	№2
10	+++	+++	++	+++	-	+
20	+++	++	+	+++	-	+
40	++	+	+	++	-	-
200	++	+	+	-	-	-
400	+	+	+	-	-	-
800	+	-	-	-	-	-
1600	+	-	-	-	-	-
3200	-	-	-	-	-	-

Таблица 5.
Результаты реакции агглютинации с латексным антительным диагностикумом Зонне к примеру 4.
Обратный титр пробы	Учет реакции на биочипе	Макрометод	Коктроли
№1	№2
20	++++	++++	-	-
40	+++	+++	-	-
80	+++	+++	-	-
160	+++	+++	-	-
320	+++	+++	-	-
640	+++	+++	-	-
1280	+++	+	-	-
2560	+	+	-	-
5120	+	-	-	-
10240	-	-	-	-

1. Способ исследования биологической пробы в реакции латекс-агглютинации в гидрофобных условиях, отличающийся тем, что реакционную смесь инкубируют в прозрачных гидрофобизированных лунках биочипа, а учет результатов проводят в монослойном участке реакционной смеси по изменению светопропускания или геометрической формы кристаллов латексных частиц.

2. Аналитическая система для осуществления реакции латекс-агглютинации, охарактеризованной в п.1, содержащая планшет, изготовленный в виде биочипа, включающего прозрачное основание с нанесенным на него фоторезистивным слоем, перфорированным сквозными отверстиями с образованием лунок, дно которых снабжено гидрофобным покрытием, и блок оптического контроля, включающий в себя оптический микроскоп или видеокамеру, подключенную к модулю обработки изображения.

3. Аналитическая система по п.2, отличающаяся тем, что прозрачные лунки биочипа гидрофобизированы полидиметилсилоксаном или стеарином.