金伽利,陳燕,楊丹婷*
(1.寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生醫(yī)學(xué)院,寧波 315211;2.寧波大學(xué)附屬李惠利醫(yī)院,寧波 315000)
細(xì)胞因子是由多種組織細(xì)胞(主要為免疫細(xì)胞)經(jīng)刺激而合成和分泌的低分子量可溶性蛋白質(zhì),是身體功能狀態(tài)的核心指標(biāo)[1],是機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)時(shí)的重要標(biāo)志,在血細(xì)胞生成、細(xì)胞生長(zhǎng)分化、組織損傷修復(fù)和細(xì)胞間通訊等許多生理方面發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能[1,2],其作為生物標(biāo)記物,可用于疾病的預(yù)防、診斷及治療效果檢測(cè)。干擾素-γ(interferon-γ, IFN-γ)是重要的細(xì)胞因子之一,自1965年發(fā)現(xiàn)[3]以來(lái)就廣受關(guān)注。其主要由自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell, NK)和活化的T淋巴細(xì)胞分泌,在免疫細(xì)胞的活化和分化中起重要的調(diào)節(jié)作用[4]。但當(dāng)IFN-γ在體內(nèi)過(guò)量堆積時(shí),會(huì)引發(fā)炎癥反應(yīng),在一定程度上造成神經(jīng)元損傷[5]。因此,對(duì)IFN-γ進(jìn)行快速準(zhǔn)確的超靈敏檢測(cè)具有重要意義。
目前針對(duì)IFN-γ的常用檢測(cè)方法主要有干擾素-γ釋放試驗(yàn)(interferon-γ release assays, IGRA)、酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)、酶聯(lián)免疫斑點(diǎn)技術(shù)(Enzyme Linked Immunospot Assay, ELISPOT)等[6,7]。這些方法都具有較高的特異性,但是存在價(jià)格昂貴、用時(shí)久、操作繁瑣等缺陷[6]。因此,開發(fā)一種簡(jiǎn)單快速、靈敏度高的IFN-γ檢測(cè)方法很有必要。表面增強(qiáng)拉曼散射(surface enhancement of Raman scattering, SERS)因其獨(dú)特的指紋光譜、較高的靈敏度、良好的特異性、出色的信號(hào)放大作用,已被廣泛應(yīng)用于免疫測(cè)定、疾病診斷等領(lǐng)域[8]。Zengin等人設(shè)計(jì)了一種針對(duì)Tau蛋白的雙抗體夾心結(jié)構(gòu)用于SERS檢測(cè)[9]。他們將單克隆抗體功能化的混合磁性納米顆粒和多克隆抗體修飾的金納米顆粒分別作為捕獲探針和檢測(cè)探針。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三明治結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大大提高了靈敏度和選擇性,檢測(cè)限低于25 fM。Gu等人探索出了一種針對(duì)SARS-CoV-2的雙適配體傳感器[10]。該傳感器將刺突蛋白適配體與固定在Au膜上金納米粒子偶聯(lián)作為SERS基底,又將刺突蛋白適配體與被拉曼報(bào)告分子IR-808修飾的金納米粒子偶聯(lián)作為SERS探針,實(shí)現(xiàn)了超靈敏檢測(cè)。其約12 min即可檢測(cè)到檢測(cè)限低于0.7 pg/mL的刺突蛋白和檢測(cè)限為0.8 TU/mL的假病毒。
目前研究發(fā)現(xiàn),與僅基于適體和僅基于抗體的生物傳感器相比,抗體-適配體的雜交三明治結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有更高的靈敏度、親和力、穩(wěn)定性和選擇性,更廣的線性響應(yīng)范圍,面對(duì)復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境具有更大的優(yōu)勢(shì)[11-14]。Bai等人開發(fā)了一種定量檢測(cè)心肌肌鈣蛋白I(cTnI)的高特異性酶聯(lián)雜交夾心測(cè)定法(ELHSA),通過(guò)構(gòu)建“捕獲抗體-靶標(biāo)-檢測(cè)適配體”的三明治結(jié)構(gòu),基于辣根過(guò)氧化物酶(HRP)和3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)顯色原理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)cTnI的快速檢測(cè),檢測(cè)限低至0.24 ng/mL[15]。Seiler等人探索出了一種新型的適體-抗體雜交側(cè)流分析(hybrid-LFA)用于高效檢測(cè)尿液中的CXC 趨化因子配體 9 (CXCL9)以評(píng)估腎移植后的慢性抗體介導(dǎo)的排斥反應(yīng)(AMR),在PBS溶液和實(shí)際樣品中的檢測(cè)限可分別達(dá)10 pg/mL、60 pg/mL[16]。他們構(gòu)建了一種新型的拉曼探針AuNPs-G123,由于它與檢測(cè)線(Test Zone, TZ)上的大鼠IgG2b結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照線(Control Zone, CZ)上的互補(bǔ)寡核苷酸鏈,因此當(dāng)CXCL9存在時(shí),TZ和CZ會(huì)同時(shí)存在,并且隨CXCL9濃度的變化,顏色也會(huì)隨之發(fā)生改變。基于此,本文合成了一種嵌入4-硫基苯甲酸(4-Mercaptobenzoic acid, 4-MBA)的穩(wěn)定金銀合金(AlloyNPs)作為高靈敏的SERS基底,在其表面偶聯(lián)IFN-γ的特異性適配體以構(gòu)建SERS基底-適配體偶聯(lián)物(AlloyNPs-APT)作為為檢測(cè)探針,同時(shí)以磁珠-IFN-γ特異性抗體的復(fù)合物為捕獲探針,構(gòu)建了一種針對(duì)IFN-γ的抗體-適配體雜交三明治結(jié)構(gòu)的SERS高靈敏檢測(cè)方法。
2.1.1試劑
氯金酸(Chloroauric Acid, 99.9%, HAuCl4?3H2O)、4-硫基苯甲酸(4-Mercaptobenzoic acid, 99%, 4-MBA)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone, PVP)、硝酸銀(Silver nitrate, ≥99%, AgNO3)、L-抗壞血酸(L-Ascorbic Acid, AA)、吐溫 20(Tween 20)、碳酸鉀(Potassium carbonate, ≥99%, K2CO3)、十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate, ≥98.5%, SDS)、牛血清白蛋白(Bovine serum albumin, ≥98%, BSA)、人血清(human serum)購(gòu)于Sigma-Aldrich公司;檸檬酸鈉(sodium citrate, 98%, NaC6H5O7)、氯化鈉(Sodium chloride, NaCl)購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氨水(Ammonia solution, NH4OH)、三(2-羧乙基)膦鹽酸鹽(Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride, 98%, TCEP)、三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽(Tris(hydroxymethyl)aminomethane, ≥99%, Tris-HCl)購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;干擾素-γ適配體(IFN-γ aptamer, 5’-GGG GTT GGT TGT GTT GGG TGT TGT GTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT T-3’)購(gòu)于生工生物工程上海股份有限公司;偶聯(lián)生物素的人源干擾素-γ抗體(Human IFN-γ biotinylated antibody, biotin-IFN-γ antibody)購(gòu)于安迪生物科技上海有限公司;鏈霉親和素修飾的磁珠(BeaverBeadsTMStreptavidin,粒徑為300 nm)購(gòu)于蘇州海貍生物醫(yī)學(xué)工程有限公司;重組人IFN-γ蛋白(Recombinant Human IFN-gamma Protein, IFN-γ Protein)購(gòu)于武漢愛博泰克生物科技有限公司。試驗(yàn)中所用的去離子水(18.2 MΩ?cm-1)由上海力康SmartPlus純水系統(tǒng)提供。
2.1.2儀器設(shè)備
BWS465-785S拉曼光譜儀(必達(dá)泰克光電科技上海有限公司)用于拉曼光譜采集;紫外-可見分光光度計(jì)(南京菲勒儀器有限公司)用于測(cè)試SERS探針的吸光度;場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Gemini-300,日本蔡司)和透射電子顯微鏡(FEI Talos F200S,美國(guó))用于SERS探針的形貌和結(jié)構(gòu)表征。
2.2.1SERS基底(AlloyNPs)的制備
2.2.1.1金納米顆粒(Gold nanoparticles, AuNPs)的合成
本研究采用最為經(jīng)典和常用的方法即Frens報(bào)道的檸檬酸三鈉還原氯金酸的方法[17]。具體操作為:2.5 mL 的10 mM 氯金酸溶液加入到97.5 mL 的去離子水中在磁力劇烈攪拌的同時(shí)加熱到沸騰后,然后快速加入1.5 mL檸檬酸鈉溶液(1%)并繼續(xù)加熱30 min,隨后停止加熱并繼續(xù)攪拌直至溶液冷卻至室溫,得到粒徑約為30 nm的AuNPs。用0.22 μm Millipore濾膜過(guò)濾后將其密封避光置于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
2.2.1.24-MBA嵌入的金銀合金納米顆粒(Au-MBA-Ag Alloy nanoparticles, AlloyNPs)的合成
在400 μL AuNPs溶液中加入8 μL 1 mM 4-MBA后震蕩孵育3 h,經(jīng)6000 rpm 25 ℃ 10 min離心清洗兩次后溶解于400 μL去離子水,并與400 μL的1 wt% PVP溶液輕輕混合。隨即依次加入100 μL 1 mM AgNO3溶液、32 μL NH4OH溶液和300 μL 1 mM HAuCl4溶液,混合均勻后立即快速加入400 μL 20 mM L-抗壞血酸(AA)溶液,并在室溫下混勻1 h。最后,6000 rpm 10 min 25 ℃離心洗滌溶液兩次后重新分散于去離子水中,即得到作為SERS基底的AlloyNPs。
2.2.2SERS基底/適配體偶聯(lián)物(AlloyNPs-APT)的制備
首先,10 mg/mL TCEP 溶液與100 μM IFN-γ適配體溶液(v∶v=1∶1)在室溫下孵育1 h用以激活I(lǐng)FN-γ適配體的雙硫鍵。激活后的適配體轉(zhuǎn)移到100 μL AlloyNPs溶液中300 rpm 25 ℃ 孵育16 h后,加入1% SDS并調(diào)整其最終濃度為0.01%后繼續(xù)孵育1 h。隨后,每1 h加入1 μL含有1 M NaCl的10 mM Tris-HCl (pH 8.2) ,共加入5 μL,之后在25 ℃下繼續(xù)孵育24小時(shí)。反應(yīng)完成后,所得產(chǎn)物在4500 rpm 10 min 25 ℃離心以去除未結(jié)合的適配體,并重新溶解于0.01 M PBS 溶液(含0.1% Tween 20 和1% BSA,pH 7.4),得到SERS基底-適配體偶聯(lián)物(AlloyNPs-APT)以作為檢測(cè)探針,并儲(chǔ)存在4 ℃冰箱備用。
2.2.3IFN-γ的檢測(cè)
5 μL鏈霉親和素修飾的磁珠(magnetic nanobeads, MBs)經(jīng)0.01 M PBS(pH 7.4)清洗后,分別與不同體積的0.2 mg/mL生物素修飾的IFN-γ抗體在25 ℃、850 rpm下孵育1 h。隨后,0.01 M PBS(pH 7.4)清洗去除未結(jié)合的IFN-γ 抗體后與100 μL 1% BSA 在25 ℃、850 rpm下孵育30 min以封閉MBs的非特異性吸附結(jié)合位點(diǎn)。最后不同濃度(0 pg/mL, 1 pg/mL, 5 pg/mL, 10 pg/mL, 50 pg/mL, 100 pg/mL, 500 pg/mL, 1 ng/mL)的IFN-γ 蛋白在4 ℃下與MBs-IFN-γ抗體孵育過(guò)夜,并用0.01 M PBS 溶液(含0.1% Tween 20 和1% BSA,pH 7.4)清洗3次以去除游離的IFN-γ蛋白。最后加入25 μL AlloyNPs-APT偶聯(lián)物在850 rpm 25 ℃ 孵育2 h,用含有0.1% BSA和0.01% Tween 20的PBS溶液清洗兩次后進(jìn)行SERS檢測(cè)。
2.2.4儀器參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)處理
每次試驗(yàn)前,拉曼光譜儀使用硅片(Si)在521 cm-1作為基準(zhǔn)峰進(jìn)行儀器校正,激光波長(zhǎng)為785 nm半導(dǎo)體激光光源,激光強(qiáng)度設(shè)置為34 mW,積分時(shí)間為10 s,光譜掃描的波數(shù)范圍為200~2000 cm-1。每個(gè)樣品取8 μL滴在石英比色皿上獲取SERS信號(hào),每個(gè)樣品至少重復(fù)測(cè)量3次以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。
Labspec5軟件對(duì)拉曼光譜進(jìn)行基線校正后,使用Origin 2018軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖。
本文構(gòu)建了一種基于適配體和抗體的雜交結(jié)構(gòu)識(shí)別和檢測(cè)IFN-γ蛋白的SERS高靈敏快速檢測(cè)方法。如圖1所示,我們首先將作為SERS報(bào)告分子的4-MBA嵌入金銀合金納米顆粒以合成具有高靈敏性的SERS基底(AlloyNPs),之后再與適配體偶聯(lián)構(gòu)建作為檢測(cè)探針的AlloyNPs-APT偶聯(lián)物。同時(shí)基于親和素和生物素能緊密結(jié)合的原理,在鏈霉親和素修飾的磁珠表面組裝生物素修飾的抗體,以構(gòu)建能夠分離捕獲IFN-γ蛋白的捕獲探針。當(dāng)IFN-γ蛋白存在于檢測(cè)體系時(shí),由于其能夠同時(shí)被抗體和適配體識(shí)別并結(jié)合,捕獲探針、IFN-γ蛋白、檢測(cè)探針能夠形成穩(wěn)定的三明治結(jié)構(gòu),獲得較高的拉曼信號(hào);當(dāng)IFN-γ蛋白不存在時(shí),三明治結(jié)構(gòu)則不能形成,檢測(cè)探針游離于上清液中,僅獲得較低的拉曼信號(hào)。
圖1 干擾素-γ檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)流程圖 A,適配體-SERS探針的制備;B,磁珠與抗體偶聯(lián);C,實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Schematic of the workflow of the assay for IFN-γ detection A, the synthesis of aptamer conjugated AlloyNPs; B, the binding between the antibody and magnetic bead; C, experimental procedure
3.2.14-MBA體積的優(yōu)化
研究表明4-MBA嵌入合金的濃度會(huì)影響SERS基底的信號(hào)強(qiáng)度[18],因此我們對(duì)4-MBA的體積進(jìn)行了優(yōu)化。我們?cè)? mL AuNPs溶液中分別加入不同體積(10 μL,20 μL,50 μL)的4-MBA溶液,合成AlloyNPs。通過(guò)圖2D和E紫外可見光吸光光光譜,我們可以看出當(dāng)4-MBA的體積為20 μL時(shí),AuNPs-MBA和AlloyNPs的吸光度最高,說(shuō)明在此4-MBA濃度下,其最為穩(wěn)定。如圖2A和B所示,當(dāng)4-MBA體積為20 μL時(shí),AlloyNPs基底的拉曼強(qiáng)度最高,強(qiáng)度為6524,是10 μL的3.89倍,是50 μL的5.30倍;當(dāng)4-MBA的體積相同時(shí),AlloyNPs基底的拉曼強(qiáng)度是常用的AuNPs-MBA基底拉曼強(qiáng)度的4.03倍。
圖2 AlloyNPs合成4-MBA體積優(yōu)化結(jié)果圖 A,不同體積(10 μL,20 μL,50 μL)1 mM MBA修飾的AlloyNPs拉曼光譜;B,拉曼位移為1080 cm-1時(shí)相應(yīng)拉曼強(qiáng)度的柱狀圖和歸一化線;C,AlloyNPs和AuNPs-MBA的拉曼光譜比較;D,不同體積(10 μL,20 μL,50 μL)1 mM MBA修飾的AuNPs-MBA紫外可見光吸光光光譜;E不同體積(10 μL,20 μL,50 μL)1 mM MBA修飾的AlloyNPs紫外可見光吸光光光譜Fig.2 Volume optimization diagram of MBA A, Raman Spectra of AlloyNPs Tag modified with 1 mM MBA of different volumes (10 μL, 20 μL, 50 μL); B, Columnar distribution and normalized lines of the corresponding SERS intensity at 1080 cm-1; C,Raman spectra of AlloyNPs Tag and AuNPs-MBA with 20 μL MBA; D, UV-Visible absorption spectra of AuNPs-MBA modified with 1 mM MBA of different volumes (10 μL, 20 μL, 50 μL); E, UV-Visible absorption spectra of AlloyNPs modified with 1 mM MBA of different volumes (10 μL, 20 μL, 50 μL)
3.2.2適配體濃度的優(yōu)化
覆蓋在SERS基底上的適配體濃度對(duì)其SERS信號(hào)的強(qiáng)度及SERS基底的穩(wěn)定性非常重要[19],因此我們對(duì)與AlloyNPs結(jié)合的IFN-γ適配體濃度進(jìn)行了優(yōu)化。我們將激活后的不同體積(2 μL、4 μL、8 μL、12 μL、16 μL)的適配體經(jīng)與100 μL AlloyNPs溶液孵育后,對(duì)其拉曼信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。如圖3A和B所示,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)適配體濃度為4 μM時(shí),AlloyNPs-APT的拉曼強(qiáng)度最高。因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,我們采用適配體的濃度為4 μM。
圖3 適配體濃度優(yōu)化結(jié)果圖 A,不同濃度(1 μM, 2 μM, 4 μM, 6 μM, 8 μM)適配體修飾后AlloyNPs-APT的拉曼光譜;B,拉曼位移為1083 cm-1時(shí)相應(yīng)拉曼強(qiáng)度的柱狀分布和歸一化線Fig.3 Concentration optimization diagram of aptamer A, Raman Spectra of AlloyNPs-APT modified with aptamer of different concentration (1 μM, 2 μM, 4 μM, 6 μM, 8 μM); B, Columnar distribution and normalized lines of the corresponding SERS intensity at 1083 cm-1
圖4 抗體體積優(yōu)化結(jié)果圖(0.5 μL,1.5 μL,2.5 μL,5 μL) A,不同體積(0.5 μL,1.5 μL,2.5 μL,5 μL)IFN-γ抗體修飾后樣品的拉曼光譜;B,拉曼位移為1083 cm-1時(shí)相應(yīng)拉曼強(qiáng)度的柱狀分布和歸一化線Fig.4 Volume optimization diagram of antibody (0.5 μL,1.5 μL,2.5 μL,5 μL) A, Raman Spectra of sample modified with IFN-γ antibody of different volumes (0.5 μL,1.5 μL,2.5 μL,5 μL); B, Columnar distribution and normalized lines of the corresponding SERS intensity at 1083 cm-1
3.2.3抗體體積的優(yōu)化
當(dāng)抗體到達(dá)一定濃度時(shí),與磁珠的結(jié)合力會(huì)達(dá)到飽和,即當(dāng)抗體濃度再增加時(shí),磁珠表面結(jié)合的抗體量不再增加,于是我們對(duì)于抗體的體積進(jìn)行了優(yōu)化。我們將清洗后的磁珠分別與不同體積(0.5 μL,1.5 μL,2.5 μL,5 μL)的0.2 mg/mL抗體混勻孵育1 h后,與優(yōu)化后的AlloyNPs-APT混合2 h后,對(duì)其進(jìn)行拉曼測(cè)試。如4A和B所示,當(dāng)抗體體積為2.5 μL時(shí),樣品的拉曼強(qiáng)度最高。因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,我們采用抗體的體積為2.5 μL。
3.3.1在PBS中的測(cè)試結(jié)果
為測(cè)試該方法用于檢測(cè)IFN-γ的可行性,我們將含有不同濃度的IFN-γ PBS溶液(0 pg/mL, 1 pg/mL, 5 pg/mL, 10 pg/mL, 50 pg/mL, 100 pg/mL)在4 ℃下與MBs-IFN-γ抗體過(guò)夜孵育后再與AlloyNPs-APT偶聯(lián)物孵育并測(cè)得拉曼強(qiáng)度,并且每個(gè)濃度各重復(fù)3次。通過(guò)圖5A和B可以看出,隨著IFN-γ濃度的不斷增加,拉曼強(qiáng)度也隨之增強(qiáng),尤以1080 cm-1處的最明顯。在拉曼位移為1080 cm-1處,以IFN-γ濃度的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo),拉曼強(qiáng)度為縱坐標(biāo),可獲得不同IFN-γ濃度和SERS信號(hào)強(qiáng)度之間的線性關(guān)系。如圖5C所示,其線性回歸方程為y=4699.12x+2525.68,R2=0.9769,檢測(cè)限計(jì)算為0.26 pg/mL。此外,通過(guò)圖5D可以看出,該檢測(cè)方法在PBS環(huán)境中對(duì)IFN-γ的檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性較好,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均在10%以下。
圖5 PBS溶液中的檢測(cè)結(jié)果 A,PBS環(huán)境中不同濃度(0 pg/mL, 1 pg/mL, 5 pg/mL, 10 pg/mL, 50 pg/mL, 100 pg/mL)IFN-γ的SERS光譜;B,拉曼位移為1080 cm-1時(shí)相應(yīng)拉曼強(qiáng)度的柱狀分布和歸一化線;C,IFN-γ濃度及拉曼強(qiáng)度建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線;D,重復(fù)性實(shí)驗(yàn)Fig.5 Test results in PBS A, SERS spectra of IFN-γ at different concentrations (0 pg/mL, 1 pg/mL, 5 pg/mL, 10 pg/mL, 50 pg/mL, 100 pg/mL) in PBS; B, Columnar distribution and normalized lines of the corresponding SERS intensity at 1080 cm-1, C, The calibration curve based on IFN-γ concentration vs Raman intensity; D, Repetitive experiments
3.3.2在血清中的測(cè)試結(jié)果
為驗(yàn)證該方法在臨床應(yīng)用中的可行性,我們將血清用0.01 M PBS(pH 7.4)稀釋10倍,并在10倍稀釋的血清中添加IFN-γ,并利用PBS建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線定量檢測(cè)IFN-γ。通過(guò)表1可以看出,在血清中的回收率為98.7%~108%,說(shuō)明該方法有希望應(yīng)用在實(shí)際的臨床檢測(cè)中。
表1 血清中的回收率檢測(cè)結(jié)果Table 1 Recovery rate test results in serum
本文基于抗體和適配體的雜交結(jié)構(gòu),開發(fā)了一種SERS抗體/適配體傳感器用于干擾素-γ的快速檢測(cè)。研究結(jié)果表明,該方法對(duì)IFN-γ的檢測(cè)具有高靈敏度,其在PBS中的檢測(cè)限為0.25 pg/mL,在血清中的回收率為98.7%~108%。在研究中我們也發(fā)現(xiàn)在實(shí)際樣本中適配體-抗體的雜交結(jié)構(gòu)具有非特異性吸附會(huì)造成結(jié)果的假陽(yáng)性,因此解決非特異性吸附對(duì)實(shí)際血清樣本中干擾素-γ快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)至關(guān)重要。