DE19517789C2

DE19517789C2 - Method for the detection of antigens with an affinity sensor

Info

Publication number: DE19517789C2
Application number: DE1995117789
Authority: DE
Inventors: Reinhard Prof Dr Renneberg
Original assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Current assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Priority date: 1995-05-15
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2015-05-16
Also published as: DE19517789A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Antigenen mit einem Affinitätssensor für die Messung, bei dem die Sensoroberfläche mit einem komplementären Affinitätspartner in Form eines Komplexes mit einem kolloidalen Metall und anschließend mit einer foto grafischen Entwicklerlösung und einer Metallösung behandelt wird.The invention relates to a method for the detection of Antigens with an affinity sensor for measurement, where the sensor surface is complementary Affinity partner in the form of a complex with a colloidal metal and then with a photo graphic developer solution and a metal solution is treated.

Affinitätssensoren und Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Ein Überblick über Affinitätssensoren ist z. B. aus der Literaturstelle Scheller u. Schu bert, Biosensoren, Basel, Birkhäuser Verlag, 1989, zu entnehmen. Insbesondere die piezoelektrischen Senso ren werden bisher zum Nachweis von Mikroorganismen, Antibiotika, Pestiziden, Hormonen, Vitaminen und To xinen eingesetzt. Bei diesen sogenannten Immunosenso ren wird dabei so vorgegangen, daß eine Komponente an die sensitive Fläche des Sensors (z. B. an einen Schwingkristall) gebunden wird, und daß dann durch Anlagerung (Bindung) des anderen Partners eine Masse änderung erzeugt wird. Durch die erzeugte Masseände rung tritt im Falle des piezoelektrischen Sensors auch eine Änderung der Frequenz ein, so daß dann eine Detektion erfolgt (Guilbault, G.G. and Luong, J.H.T. in: Wagner, G. (1994) and Guilbault, G.G.Food biosen sor analysis, Marcel Dekker, Inc. New York S. 151-172).Affinity sensors and methods for their production are known. An overview of affinity sensors is z. B. from the literature Scheller u. Sho bert, Biosensoren, Basel, Birkhäuser Verlag, 1989, to remove. In particular the piezoelectric Senso so far have been used to detect microorganisms, Antibiotics, pesticides, hormones, vitamins and To xinen used. With these so-called immunosenso ren is done so that a component the sensitive area of the sensor (e.g. to a Crystal) is bound, and then by Attachment (binding) of the other partner a mass change is generated. By the generated masses tion occurs in the case of the piezoelectric sensor also a change in frequency, so that then a Detection takes place (Guilbault, G.G. and Luong, J.H.T. in: Wagner, G. (1994) and Guilbault, G.G. Food biosen Sor Analysis, Marcel Dekker, Inc. New York S. 151-172).

Bei hochmolekularen Substanzen und Zellen gibt es dabei keine Nachweisprobleme. Ein derartiger Piezoim munosensor ist in der US 4,314,821 beschrieben, der hochmolekulare Antikörper nachweist.With high molecular substances and cells there is no detection problems. Such a Piezoim Munosensor is described in US 4,314,821, the detects high molecular weight antibodies.

Niedermolekulare Substanzen (besonders Pestizide) sind jedoch aufgrund der geringen Masseänderung (Mo lekulargewichte unter 1.000 Dalton) direkt kaum nach weisbar. In der US 3,904,367 wird versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß an das an der Oberflä che gebundene Antigen verschiedene Antikörper (AK1 bis AK3) angekoppelt werden. Es wird dabei so vorge gangen, daß ein gegen das Antigen (Ag) gerichteter Antikörper AK1 zugegeben wird, der an Ag bindet. Im folgenden werden dann gegen den AK1 gerichtete Anti körper AK2 eingesetzt, die an verschiedenen Epitopen von AK1 binden, so daß pro AK1-Molekül mehrere AK2-Molküle gebunden sind. Weiterhin kann dann ein drit ter Antikörper (AK3) zugesetzt werden, der gegen AK2 gerichtet ist.Low molecular weight substances (especially pesticides) However, due to the small change in mass (Mo molecular weights below 1,000 daltons) detectable. This is attempted in US Pat. No. 3,904,367 To solve the problem in that at the surface bound antigen various antibodies (AK1 up to AK3). It is featured here that a directed against the antigen (Ag) Antibody AK1 is added, which binds to Ag. in the The following are then anti-AK1 AK2 body used on different epitopes bind of AK1, so that several per AK1 molecule AK2 molecules are bound. Then a third can ter antibody (AK3) can be added, which against AK2 is directed.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß auch dadurch nur eine geringe Verstärkung (bis 10×) er reichbar ist und die Bindungszeiten der einzelnen Antikörper sich summieren und dadurch lange Inkuba tionszeiten erreicht werden.However, this method has the disadvantage that therefore only a small gain (up to 10 ×) is reachable and the binding times of the individual Antibodies add up and therefore long incuba tion times can be achieved.

Aus der WO 89/09938 ist ein Verfahren zum Nachweis von Antigenen mit einem Affinitätssensor bekannt, bei dem auf der Oberfläche des sensitiven Elementes des Sensors das Antigen oder eine Antigenmodifikation immobilisiert und dann mit seinem komplementären Af finitätspartner und der unbekannten Menge des Anti gens behandelt wird. Die Behandlung der Oberfläche des Sensors mit einer fotografischen Entwicklerlösung und einer Metallösung ist aus der WO 89/09938 nicht bekannt.WO 89/09938 describes a method for detection known from antigens with an affinity sensor that on the surface of the sensitive element of the Sensor the antigen or an antigen modification immobilized and then with its complementary af financial partner and the unknown amount of anti is treated. Treatment of the surface the sensor with a photographic developer solution and a metal solution is not from WO 89/09938 known.

Der Einsatz von Entwicklerlösungen ist aus der EP 0 643 307 A1, der EP 0 446 993 A1 und der EP 0 293 947 A1 bekannt. Der Einsatz dieser Entwickler-/Me tallösungen dient jedoch zu einer Visualisierung der Nachweisreaktion.The use of developer solutions is from the EP 0 643 307 A1, EP 0 446 993 A1 and EP 0 293 947 A1 known. The use of these developer / me However, metal solutions serve to visualize the Detection reaction.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Nachweis von Antigenen mit einem Affinitätssensor vorzuschlagen, mit dem es möglich wird, auch niedermolekulare Antigene, wie z. B. Pestizide, Antibiotika, Hormone, Vitamine oder Toxine, nachzuweisen.Based on this, it is the task of the present one Invention, a method for the detection of antigens propose with an affinity sensor with which it is possible, even low molecular weight antigens, such as e.g. B. pesticides, antibiotics, hormones, vitamins or Detect toxins.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.The task is characterized by the characteristics of claim 1 solved. The subclaims show advantageous further training.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, die aus der Fotochemie bekannte Reaktion mit einer Entwicklerlö sung mit der Affinitätsreaktion zu koppeln. Diese Reaktion nutzt die Wechselwirkung kolloidbildender Metalle mit einem Entwickler und einer Metallösung (Sviridov, V.V., Kondratlev, V.A. (1978) Fotografi sche Prozesse mit silberfreier physikalischer Ent wicklung bin russ.) Uspeci nautchnoi fotografii 1, S. 43-64). Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß sich um ein Atom des kolloidalen Metalles mehrere tausend Atome des Metalles aus der Metallösung la gern. Dadurch entsteht eine Massezunahme, die gegen über der normalen Massezunahme, die durch die Affini tätsreaktion erreicht wird, um mehrere Größenordnun gen größer ist.According to the invention it is thus proposed that from the Photochemistry known reaction with a developer solution coupling with the affinity reaction. This Reaction uses the interaction of colloid-forming Metals with a developer and a metal solution (Sviridov, V.V., Kondratlev, V.A. (1978) Fotografi processes with silver-free physical ent winding am russ.) Uspeci nautchnoi fotografii 1, p. 43-64). Surprisingly, it has been shown that one atom of the colloidal metal several a thousand atoms of metal from the metal solution la gladly. This creates an increase in mass that counteracts above the normal mass gain caused by the affini response is achieved by several orders of magnitude gene is larger.

Im einzelnen wird nun so vorgegangen, daß in einem ersten Schritt ein Antigen oder eine Antigen-Modifi kation auf die Oberfläche eines sensitiven Elementes, z. B. einem Schwingkristall, immobilisiert wird. Im folgenden wird dann auf die Oberfläche die zu bestim mende Lösung des Antigens und gleichzeitig eine Lö sung mit einer konstanten Konzentration des komple mentären Affinitätspartners in Form eines Komplexes mit einem kolloidalen Metall aufgegeben. Das zu be stimmende, freie Antigen konkurriert nun mit dem re sonatorgebundenen um die Bindung mit den komplemen tären Affinitätspartner. Je mehr freies Antigen in der Lösung enthalten ist, desto weniger komplementäre Affinitätspartner binden am resonatorgebundenen Anti gen und desto geringer ist dadurch auch die Anbindung an den komplementären Affinitätspartner am Resonator und desto geringer die Verstärkungsreaktion. Es wird also eine umgekehrte prozentuale Abhängigkeit des Sensorsignals von der Analytkonzentration (Antigen) gefunden (Konkurrenzprinzip). Wesentlich beim erfin dungsgemäßen Verfahren ist nun, daß die Konkurrenzre aktion mit einem komplexierten komplementären Affini tätspartner durchgeführt wird, wodurch sich ein Af finitätskomplex an der Kristalloberfläche ausbildet. Als Metalle kommen hierbei grundsätzlich alle kol loidbildenden Metalle, insbesondere Gold, Silber, Kupfer oder Nickel, in Frage. Die Masseänderung, die dadurch erreicht wird, ist schon größer als die, die durch das bloße Anbinden des Affinitätspartners er reicht wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Massezunahme allein noch nicht ausreicht, um ein hin reichend großes Meßsignal zu erzeugen.In detail, the procedure is now such that in one first step an antigen or an antigen modifi cation on the surface of a sensitive element, e.g. B. a crystal is immobilized. in the The following is then determined on the surface solution of the antigen and at the same time a solution solution with a constant concentration of the comple mental affinity partner in the form of a complex abandoned with a colloidal metal. That to be tuning, free antigen now competes with the right sonatorial to tie with the complemen primary affinity partner. The more free antigen in the solution is included, the less complementary Affinity partners bind to the resonator-bound anti and the lower the connection to the complementary affinity partner on the resonator and the lower the amplification response. It will thus an inverse percentage dependency of the Sensor signal from the analyte concentration (antigen) found (competition principle). Essential to invent The method according to the invention is now that the competition action with a complex complementary affini is carried out, whereby an Af finishes complex complex on the crystal surface. Basically, all cols come as metals loid-forming metals, especially gold, silver, Copper or nickel, in question. The mass change that achieved thereby is already greater than that by simply tying in the affinity partner is enough. However, it has been shown that this Mass gain alone is not enough to get one to generate a sufficiently large measurement signal.

Erfindungsgemäß wird nun so vorgegangen, daß der vor stehend beschriebene Affinitätskomplex mit einer Ent wicklerlösung, wie sie an und für sich aus der Foto chemie bekannt ist, und einer ein Metallsalz enthal tenden Lösung behandelt wird. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß durch die Zugabe des Entwicklers und des Metallsalzes eine regelrechte Wolke um das kolloidale Metall gebildet wird, wobei eine Massezu nahme resultiert, die um mehrere Größenordnungen (100- bis 1000fach) größer ist als die Massezunahme, die durch das bloße Anbinden des komplementären Affi nitätspartners erreicht wird. Die Fig. 1 zeigt hier bei, stellvertretend für einen Affinitätskomplex, schematisch den Zustand, wie er nach Behandlung mit der Entwicklerlösung mit der Metallösung vorliegt. Hierin bedeutet
m die Metallwolke, die aus der Metallsalzlösung entsteht,
Me das kolloidale Metall,
A den komplementären Affinitätspartner, und
B das Antigen.According to the invention, the procedure is now such that the affinity complex described above is treated with a developer solution, as is known per se from photo chemistry, and a solution containing a metal salt is treated. Surprisingly, it has been found that the addition of the developer and the metal salt forms a veritable cloud around the colloidal metal, resulting in an increase in mass that is several orders of magnitude (100 to 1000 times) greater than the increase in mass caused by the merely connecting the complementary affinity partner is achieved. Fig. 1 shows here, representative of an affinity complex, schematically the state as it is after treatment with the developer solution with the metal solution. Here means
m the metal cloud that arises from the metal salt solution,
Me the colloidal metal,
A the complementary affinity partner, and
B the antigen.

Als Entwicklerlösung können dabei alle an und für sich aus dem Stand der Technik bekannten Entwickler lösungen aus der Fotographie eingesetzt werden. Ein Überblick über derartige Entwicklerlösungen ist z. B. im RÖMPP Chemielexikon, Band 9, 1993, S. 309, enthal ten. Als Metallösungen können ebenfalls alle metall salzhaltigen Lösungen, insbesondere Silber-, Nickel- und Cu-Salzlösungen, z. B. Nitrate, eingesetzt werden. Bevorzugt werden für den Fall, daß Au als kolloidales Metall eingesetzt wird, Ag-Salze verwendet. Generell muß das Metall aus der Metallsalzlösung unedler als das kolloidale Metall sein.As a developer solution, everyone can and for developers known from the prior art solutions from photography can be used. On An overview of such developer solutions is e.g. B. in the RÖMPP Chemistry Lexicon, Volume 9, 1993, p. 309 All metal can also be used as metal solutions saline solutions, especially silver, nickel and Cu salt solutions, e.g. B. nitrates can be used. In the event that Au is preferred as colloidal Metal is used, Ag salts are used. As a general rule the metal from the metal salt solution must be less noble than be the colloidal metal.

In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ist es auch möglich, dem Komplexierungsschritt vor gelagert, zuerst an das resonatorgebundene Antigen einen entsprechenden, komplementären Antikörper anzu koppeln und dann nachfolgend die vorstehend beschrie bene Reaktion mit dem kolloidalen Metall komplexier ten komplementären zweiten Affinitätspartner durch zuführen. Diese Ausführungsvariante bringt eine klei nere nochmalige Steigerung der Massezunahme. Die Er findung schließt jedoch grundsätzlich auch Verfah rensvarianten mit ein, bei denen nicht nur ein weite rer Antikörper an das resonatorgebundene Antigen an gekoppelt ist, sondern auch Ausführungsformen, bei denen mehrere Antikörper aneinander gebunden sind. Wesentlich beim erfindungsgemäßen Verfahren ist je weils, daß ein komplementärer Affinitätspartner mit dem kolloidalen komplexierten Metall jeweils als letzter Schritt zugesetzt wird und daß dann eine Ent wicklerlösung, wie vorstehend beschrieben, hinzuge fügt wird.In a modification of the procedure described above it is also possible to precede the complexation step stored, first on the resonator-bound antigen an appropriate complementary antibody couple and then described below complex reaction with the colloidal metal complementary second affinity partner respectively. This variant brings a small further increase in mass. The he In principle, however, the invention also includes proceedings variants with which not only a wide range antibody to the resonator-bound antigen is coupled, but also embodiments, at where several antibodies are bound together. It is essential in the method according to the invention because that a complementary affinity partner with the colloidal complexed metal as last step is added and then a Ent winder solution as described above is added.

Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, daß nach Anbindung des komplementären Affinitätspartners mit dem kolloidalen Metall die Entwicklerlösung und die metallsalzenthaltende Lösung in einem separaten Schritt zuerst gemischt werden und dann auf die Ober fläche des sensitiven Elementes aufgetragen werden. Zu beachten ist hierbei, daß die Mischung dieser bei den Partner kurzfristig vor der Aufgabe auf die sen sitive Oberfläche erfolgt, damit unerwünschte Neben reaktionen vermieden werden. Die Erfindung schließt aber ausdrücklich auch alle anderen Verfahrensvarian ten, nämlich die getrennte Zugabe dieser beiden Lö sungen, mit ein.The method is preferably carried out in such a way that after connecting the complementary affinity partner with the colloidal metal the developer solution and the metal salt-containing solution in a separate Step mix first and then onto the upper surface of the sensitive element can be applied. It should be noted here that the mixture of these the partner shortly before the task on the sen sitive surface takes place, thus undesirable secondary reactions are avoided. The invention closes but expressly also all other process variants ten, namely the separate addition of these two solvents sung with one.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeig net, wenn als sensitives Element des Affinitätssen sors ein gravimetrischer piezoelektrischer Resonator eingesetzt wird. Die Erfindung ist dabei grundsätz lich auf alle Affinitätskomponenten anwendbar, wie z. B. auf Protein A und G, Antikörper und deren Frag mente oder Lectine.The method according to the invention is particularly suitable net if as a sensitive element of the affinity sensor sors a gravimetric piezoelectric resonator is used. The invention is fundamental Lich applicable to all affinity components, such as e.g. B. on protein A and G, antibodies and their frag ment or lectine.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Figuren und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hier bei zeigen:The invention is described below with reference to two figures and an embodiment explained. Here at show:

Fig. 1 schematisch den Zustand für einen Affini tätskomplex, wie er erfindungsgemäß er reicht wird, und Fig. 1 shows schematically the state for an affinity complex, as he is sufficient according to the invention, and

Fig. 2 die Abhängigkeit der Frequenzänderung des herbicidbeschichteten Schwingkristalls von der Herbicidkonzentration in der Lösung. Fig. 2 shows the dependence of the frequency change of the herbicide-coated oscillating crystal on the herbicide concentration in the solution.

Embodiment

Das Beispiel betrifft die Ausführungsform, bei der zuerst ein zusätzlicher Antikörper als Zwischenglied zum metallkomplexierten Affinitätspartner an das im mobilisierte Antigen gekoppelt wird.The example relates to the embodiment in which first an additional antibody as an intermediate link to the metal-complexed affinity partner to the im mobilized antigen is coupled.

Ein Resonator (Schwingkristall), auf dessen Oberflä che als Antigen das Herbicid MCPB (4-(4-Chlor-2-me thylphenoxy)buttersäure) gebunden (immobilisiert) wurde, wird in Pufferlösung (5mmol/l TRIS, 0.5% Schweine-Albumin, pH 7.4, 0.025% Tween 20) mit ver schiedenen MCPB-Konzentrationen 30 min. in Kontakt gebracht und gleichzeitig einer konstanten Konzentra tion ausgesetzt.A resonator (oscillating crystal), on its surface the herbicide MCPB (4- (4-chloro-2-me thylphenoxy) butyric acid) bound (immobilized) in buffer solution (5mmol / l TRIS, 0.5% Pig albumin, pH 7.4, 0.025% Tween 20) with ver different MCPB concentrations 30 min. in contact brought and at the same time a constant concentration tion exposed.

Kontrollproben enthalten kein MCPB. Das freie MCPB konkurriert mit dem resonatorgebundenen um die Bin dung an den Anti-MCPB-Antikörpern. Je mehr freies MCPB in der Lösung enthalten ist, desto weniger Anti körper bindet am resonatorgebundenen MCPB, desto ge ringer ist auch die Protein-A-Anbindung an den Anti körper am Resonator, und desto geringer ist auch die Verstärkungsreaktion. Es wird also eine umgekehrte proportionale Abhängigkeit des Sensorsignals von der Analytkonzentration gefunden (Konkurrenzprinzip).Control samples contain no MCPB. The free MCPB competes with the resonator for the bin anti-MCPB antibodies. The more free MCPB is in the solution, the less anti body binds to the resonator-bound MCPB, the more The protein A link to the anti is also ringer body on the resonator, and the lower the Amplification reaction. So it will be a reverse proportional dependence of the sensor signal on the Analyte concentration found (competition principle).

Nach Waschung mit PBS (pH 7.4)-Tween-Lösung (0.0025%) und Wegspülen ungebundener Antikörper wird der Reso nator, an den nun Antikörper gebunden sind, mit dem Komplex Protein-A-Colloidal-Gold (20 nm) (Sigma) in einer Verdünnung von 1 : 50 20 min. lang inkubiert. Unmittelbar vor dem Verstärkungsprozeß wurde der Ver stärker (Entwickler) wie folgt bereitet:
Lösung A: 2g Metol (Fluka), 10 g Citronensäure (Flu ka) in 100 ml aqua dest.
Lösung B: 1 g Silbernitrat (AgNO₃) (Sigma) in 100 ml aqua dest.
Lösung A und B werden im Verhältnis 9 : 1 gemischt (Lösung C).After washing with PBS (pH 7.4) tween solution (0.0025%) and washing away unbound antibodies, the resonator to which antibodies are now bound is mixed with the complex Protein-A-Colloidal-Gold (20 nm) (Sigma) in a dilution of 1: 50 20 min. incubated for a long time. Immediately before the reinforcement process, the amplifier (developer) was prepared as follows:
Solution A: 2g Metol (Fluka), 10 g citric acid (Flu ka) in 100 ml distilled water.
Solution B: 1 g silver nitrate (AgNO₃) (Sigma) in 100 ml distilled water.
Solution A and B are mixed in a ratio of 9: 1 (solution C).

Die Oberfläche des Resonators wird mit PBS-Tween 29 und danach mit Wasser gewaschen. Der Resonator wird mit Lösung C in 10-facher Verdünnung 3 bis 10 min. kontaktiert. Danach wird der Resonator gewaschen und getrocknet und die Frequenz des Schwingkristalls wird gemessen.The surface of the resonator is covered with PBS-Tween 29 and then washed with water. The resonator will with solution C in 10-fold dilution 3 to 10 min. contacted. Then the resonator is washed and dried and the frequency of the vibrating crystal is measured.

Eine verstärkte Messung benutzt das gleiche Vorgehen, verzichtet aber auf den Zusatz der Lösung C.An enhanced measurement uses the same procedure but does not add solution C.

Fig. 2 zeigt, daß ohne die Verstärkungsreaktion (un tere Kurve) keine Messung möglich ist, die verstärkte Messung dagegen hochempfindlich ist. Fig. 2 shows that without the amplification reaction (lower curve) no measurement is possible, the amplified measurement, however, is highly sensitive.

Claims

1. A method for the quantitative detection of antigens with an affinity sensor, in which the antigen or an antigen modification is immobilized on the surface of the sensitive element of the sensor and then treated with its complementary affinity partner and the unknown amount of the antigen and to enhance the Signals of the complementary affinity partner is used in the form of a complex with a colloidal metal, characterized in that the surface of the sensor is subsequently treated with a photographic developer solution and a metal solution.

2. The method according to claim 1, characterized in that as sensitive Ele a gravimetric piezoelectric resonance nator serves.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the photographic Developer solution and the metal solution mixed and then the mixture onto the surface of the sensitive element is abandoned.

4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the colloidal Me tall gold, silver, copper or nickel used becomes.

5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the developer solution reducing compounds, especially amino phenols.

6. The method according to at least one of claims 1 until 5, characterized in that as a metal solution Solution is used, in particular silver, Contains nickel or copper salts.

7. The method according to at least one of claims 1 until 6, characterized in that as a complementary Affinity partner antibiotics, pesticides, hormones ne, vitamins or toxins are used.

8. The method according to claim 2, characterized in that before the addition of the complementary affinity partner with the com plexed colloidal metal at least one Antibodies to the resonator-bound antigen is coupled.