Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
3.2.4. Иммунохроматографический анализ
К иммунохимическим методам относится также метод иммунохроматографического анализа (ИХА, экспресс-тесты) – качественный скрининговый предварительный метод, позволяющий быстро, в течение нескольких минут, провести анализ в любых условиях, в т.ч. «полевых» [17]. Этот метод заслуживает наиболее пристального внимания, т.к. является самым распространенным при выявлении ПАВ и не требует оборудования и специалистов для проведения. Экспресс-тесты используют в химико-токсикологических лабораториях для скрининга, при прохождении медосмотров при устройстве на работу, при тестировании абитуриентов и студентов вузов. Метод может использоваться для тестирования водителей на дорогах, в домашних условиях родителями для контроля детей. Объектами исследования в данном случае являются моча, жидкость ротовой полости, потожировые выделения (редко).
К преимуществам ИХА следует отнести:
● быстроту и легкость в использовании;
● малые объемы образца, отсутствие пробоподготовки;
● дешевизну для производителя и потребителя;
● возможность производства тестов в больших объемах;
● простоту чтения и интерпретации результата;
● высокую чувствительность и вопроизводимость;
● возможность количественного определения;
● возможность использования портативных ридеров, совместимых с компьютером;
● возможность мультианализа.
В связи с большим количеством преимуществ по сравнению с другими скрининговыми методами, ИХА получил широкое применение
и находится на первом месте на мировом рынке диагностики. ИХА применяется в различных областях медицины и народного хозяйства:
● медицинская диагностика;
● терапевтический мониторинг;
● банки крови и плазмы;
● самодиагностика;
● судебная медицина;
● экологический мониторинг;
● промышленность (контроль качества, безопасности, идентификация продукта, эко-контроль);
● продукты питания;
● сельское хозяйство, агрономия;
● аквакультуры;
● ветеринария;
● оборона (био-защита).
Тест-полоски для ИХА являются чрезвычайно удобными и простыми в использовании, однако они имеют сложное строение и процесс разработки каждого вида ИХА является чрезвычайно трудоемким и высокотехнологичным.
ИХА-тест (иммунохроматографическия полоска) состоит из следующих основных элементов: пластиковой подложки, на которую наклеены все остальные компоненты теста, фильтра (прокладки для образца), прокладки или мембраны с конъюгатом, хроматографической мембраны, содержащей одну или несколько зон захвата иммунных комплексов и контрольную зону захвата, мембраны абсорбции (впитывающая прокладка) (рис. 13). Тест-полоска может быть помещена в пластиковый корпус, в котором имеется приемное и тестовые «окна».
Рис. 13. Схематическое изображение иммунохроматографической тест-полоски
Метод ИХА, так же как и ИФА, имеет несколько форматов. Наиболее распространены 2 схемы: прямой (сэндвичный) и непрямой конкурентный метод.
В схеме прямого (сэндвичного) ИХА используется конъюгат специфических антител с красящей меткой (в случае визуальной оценки результата), нанесенный на мембрану для конъюгата. На тестовой линии иммобилизованы антитела, специфические к данному аналиту, а на контрольной линии – антивидовые антитела, специфические к первичным антителам. При нанесении образца, содержащего анализируемое вещество, на мембране с конъюгатом происходит связывание аналита с конъюгатом Ат-метка. Затем иммунный комплекс попадает в тестовую зону, где он связывается со специфическими антителами, образуя «сэндвич» Ат-Аг-Ат-метка. избыток несвязавшегося конъюгата связывается с антивидовыми антителами на контрольной линии. Таким образом, выявление 2-х линий на тест-полоске является положительным результатом теста. При отсутствии аналита в образце конъюгат связывается с антивидовыми антителами только на контрольной линии, образуя одну линию на тест-полоске (рис. 14).
Рис. 14. Схема прямого (сэндвичного) ИХА
Метод прямого ИХА используется для выявления высокомолекулярных соединений – вирусов, в т.ч. ВИЧ; различных гормонов (например, в тестах на беременность), возбудителей инфекционных заболеваний.
Схема сэндвичного ИХА не подходит для определения низкомолекулярных веществ, т.к. для образования сэндвича Ат-Аг-Ат антиген должен иметь по крайней мере две антигенные детерминанты (т.е. центра связывания с антителами). Кроме того, из-за стерических затруднений образование такого двойного комплекса с низкомолекулярным антигеном маловероятно. Поэтому для анализа небольших молекул, в том числе наркотических веществ, используется другая схема – непрямой конкурентный ИХА.
Метод конкурентого ИХА основан на конкуренции аналита и иммобилизованного конъгата аналит:белок-носитель за ограниченное количество центров связывания специфических антител, содержащихся в конъюгате Ат-метка. При нанесении образца, содержащего аналит, он связывается с конъюгатом Ат-метка на мембране с конъюгатом (рис. 15). Далее иммунокомплекс проходит через тестовую зону, где на иммобилизован конъгат аналит:белок-носитель. Иммунокомплекс не может связаться с этим конъюгатом из-за стерических затруднений: низкомолекулярные соединения обычно имеют одну антигенную детерминанту и, соответственно, антитела имеют один центр связывания с антигеном, который уже является занятым аналитом. Далее иммунный комплекс связывают антивидовые антитела, находящиеся на контрольной линии. В результате, отсутствие окрашенной полосы в контрольной зоне свидетельствует о том, что концентрация определяемого вещества в исследуемом образце превышает его пороговое значение для данного теста.
При отсутствии анализируемого вещества в образце конъюгат Ат-метка связывается с конъюгатом Аг:белок-носитель, иммобилизованным в зоне тестовой линии. Несвязавшийся конъюгат Ат-метка попадает в зону контрольной линии и связывается там с антивидовыми антителами. Таким образом, наличие двух окрашенных линий (тестовой и контрольной) является отрицательным результатом анализа (рис. 15). Формат конкурентного ИХА используется для выявления низкомолекулярных соединений, в том числе метаболитов наркотических соединений в моче, жидкости ротовой полости, экстрактах тканей.
Схема оценки результатов ИХА наркотических веществ представлена на рис. 16. Результат теста является недействительным при отсутствии контрольной линии, т.к. этот факт может свидетельствовать о незавершенной процедуре анализа, либо о том, что иммунохимическая реакция не прошла должным образом по какой-либо причине (из-за испортившихся иммунореагентов или несоблюдения инструкции по применению теста).
Рис. 15. Схема конкурентного ИХА
Рис. 16. Схема оценки результатов ИХА метаболитов наркотических веществ
Часто, особенно в случаях когда недоступны большие количества биообразца для анализа, например, для определения наркотических веществ в слюне, используются тест-полоски в пластиковой кас-
сете (рис. 17).
Рис. 17. Пластиковый корпус иммунохроматографического теста
В качестве меток в ИХА используются различные частицы, обладающие следующими свойствами:
1. Красящие вещества (нано-частицы коллоидного золота или углерода, или частицы окрашенного латекса). В этом случае используется визуальная детекция результата, либо приборное рефлектометрическое определение (например, сканирование). Использование различных красящих меток, присоединенных к частицам латекса, позволяет проводить мильтианализ, в котором линии разного цвета соответствуют различным аналитам. Наиболее часто используемой меткой является нано-частицы коллоидного золота, которые образуют линии темно-бурого (или темно-розового) цвета.
2. Флуоресцентные, фосфоресцентные и биолюминисцентные метки, ковалентно связанные с частицами латекса. Эти метки используются только в приборных вариантах ИХА, когда результат регистрируется специальным ридером. Среди вышеуказанных наиболее распространены флуоресцентные метки.
3. Парамагнитные метки (также закрепленные на частицах латекса). Данный вид меток используется в ИХА с применением приборов, регистрирующих силу магнитного поля.
4. Ферментные метки используются по тому же принципу, что и в ИФА. Ферментативная реакция регистрируется с помощью окрашивания субстратов, и результат анализа является визуальным, или считывается с помощью ридера.
5) Новым направлением в разработке различных разновидностях ИХА является использование липосом в качестве носителей различного рода меток (красящих, флуоресцентных, ферментативных, электроактивных и пр.) [17].
Разработка технологических стадий иммунохроматографического анализа является наукоемким, высокотехнологичным и многостадийным процессом: он включает в себя подбор материалов, реагентов и условий проведения анализа на нескольких этапах разработки ИХА. Перечислим основные этапы разработки:
● выбор материалов для производства тест-полосок;
● подбор оптимальных концентраций иммунореагентов: конъюгатов Ат-метка, конъюгатов антиген-белок-носитель, антивидовых антител;
● подбор дополнительных реагентов для предобработки компонентов тест-полоски (позволяет улучшить свойства потока, и тем самым обеспечить лучшую чувствительность теста);
● подбор реагентов и их концентраций для «забивки» мембраны, если это необходимо (позволяет улучшить характеристики анализа и стабильность теста);
● оптимизация условий проведения анализа реальных образцов;
● изучение стабильности тест-системы, выбор условий хранения и упаковки для увеличения срока хранения тестов.
На рис. 18 представлена схема производства иммунохроматографических тестов. На каждом этапе данной технологической схемы должна быть произведен выбор материалов и реагентов, оптимизация условий проведения технологической стадии.
Все компоненты тест-полоски (фильтр, мембрана с конъюгатом, хроматографическая мембрана, мембрана абсорбции, см. рис. 13) приклеиваются на пластиковую подложку. Подложка – это лист, состоящий из пластика и имеющий клейкое покрытие. При выборе подложки необходимо обращать внимание на качество клея (это может напрямую влиять на характеристики хроматографической мембраны, которая будет приклеена на подложку) и удобство покрывающей пленки (что обеспечивает точность приклеивания компонентов полоски на подложку).
При выборе материала фильтра для образца необходимо руководствоваться теми функциями, которые должен выполнять фильтр:
● впитать достаточное количество образца и доставить его в мембрану для конъюгата;
● довести рН образца до оптимального;
● увеличить или уменьшить вязкость образца для достижения оптимальной скорости прохождения образца по хроматографической мембране;
● увеличить способность образца растворить конъюгат;
● уменьшить забивку мембраны за счет добавления забивки в прокладку для образца.
Рис. 18. Схема стадий производства иммунохроматографических тестов
Фильтры выпускаются из различных пористых материалов: целлюлозы, стекловолокна, тканных сит. Мембраны для конъюгатов производят из стекловолокна, целлюлозы, поверхностно модифицированного полиэфира или искусственных волокон. Подложка для конъюгата должна обладать высокой адсорбционной способностью с одной стороны, и легкостью «смывания» конъюгата из данной зоны, с другой. Т.е. при прохождении жидкости конъюгат должен хорошо десорбироваться из мембраны. При этом при сушке мембраны после нанесения раствора конъюгата не должно происходить изменение конформации антител и разрушения структуры конъюгата.
Хроматографическая мембрана – самый важный элемент иммунохроматографической полоски. Именно на ней проходит иммунохимическая реакция, происходит разделение и связывание иммунореагентов в тестовой и контрольной зонах. Мембрана является самой длинной зоной тест-полоски, именно здесь иммунореагенты проходят максимальный путь в латеральном потоке. При выборе материала для хроматографической мембраны необходимо руководствоваться следующими свойствами, которыми должна обладать мембрана:
1. Гидрофильность – необходима для возможности прохождения потока (а это водная среда) через мембрану. Обеспечивается выбором материала, а также использованием ПАВ.
2. Способность связывать белки: для формирования тестовой и контрольной линии на мембране необходимо закрепить белковые конъюгаты таким образом, чтобы они не смылись латеральным потоком. Белки «прикрепляются» к мембране с помощью электростатического взаимодействия: диполи, содержащиеся в нитроцеллюлозе, связывают диполи белков (рис. 19).
Рис. 19. Диполи нитроцеллюлозы и белков
Для лучшего закрепления белков на мембране после нанесения растворов конъюгатов и антител на мембрану используют «забивку» или блокировку мембраны: ее обрабатывают раствором инертного белка, чтобы занять все вакантные поры, в которые могли бы мигрировать молекулы белковых конъюгатов и антител, находящихся на контрольной и тестовой линиях. Кроме того, в растворах белков необходимо использовать буфер с нужной кислотностью, чтобы обеспечить максимальное электростатическое взаимодействие диполей нитроцеллюлозы и белков.
При производстве мембран для ИХА используются следующие материалы: нитроцеллюлоза (наиболее распространенный материал, используется в 99 % выпускаемых тест-полосок); нейлон; поливинилиденфторид; полиэфирсульфон; стекловолокно.
При выборе материала мембраны необходимо руководствоваться следующими ее физическими параметрами, которые характеризуют свойства латерального потока, проходящего через данную мембрану:
● толщина мембраны, ее объем слоя;
● пористость, размер и распределение пор;
● номинальная скорость потока;
● прочность (предел прочности на разрыв);
● качество поверхности: неровности, порошок и пыль, оставшиеся на поверхности после производства материала.
Все перечисленные характеристики формируют в конечном итоге главный параметр иммунохроматографической мембраны – скорость латерального потока, определяющий все основные параметры ИХА (рис. 20).
Рис. 20. Влияние скорости потока на характеристики анализа
Все вышеописанные подробности приведены для того, чтобы дать представление о сложности процесса разработки и производства на первый взгляд простых тест-полосок. Для того чтобы получить действительно работающий качественный тест, необходимо очень тщательно пройти все стадии разработки и наладки производства. К сожалению, не все нынешние производители это делают на должном уровне, экономя средства для достижения минимальных цен на рынке. В результате мы имеем общепринятое мнение о неточности ИХА тестов. В то же время качественный ИХА тест может иметь характеристики не хуже, чем тест-система для приборного метода ИФА [17].
Современные материалы и возможности тщательного подбора условий при производстве ИХА тестов позволяют разработать даже количественные варианты ИХА. В этом случае детекция результата осуществляется с помощью специальных считывающих устройств – ридеров для ИХА. В зависимости от типа метки, данные устройства осуществляют различные способы детекции: рефрактометрический, флуоресцентный, магнитный (рис. 21).
Рис. 21. Считывающие устройства для детекции результатов ИХА
Рис. 22. Автоматическая платформа для производства ИХА полосок
Количественный формат ИХА характеризуется гораздо большими требованиями к качеству тест-полосок, и, следовательно, к контролю качества каждой стадии производства тестов. Кроме качества материалов и реагентов, на каждой стадии производства необходимо четко, с высокой точностью, контролировать температуру, влажность, концентрацию реагентов, скорость подачи материалов, давления прессов и т.д. Только в этом случае можно получить количественный ИХА тест. Столь высокие требования возможно выполнить только с использованием специальных закрытых, полностью автоматизированных платформ, в которых каждый из параметров контролируется и поддерживается с высокой точностью (рис. 22).