Magneettinen immunomääritys

Magneettinen immunomääritys (MIA) on eräänlainen diagnostinen immunomääritys, jossa käytetään magneettihelmiä leimaajina perinteisten entsyymien (ELISA), radioisotooppien (RIA) tai fluoresoivien osien (fluoresenssi-immunomääritykset) sijasta tietyn analyytin osoittamiseksi. MIA:ssa vasta-aine sitoutuu spesifisesti antigeeniinsä, jolloin magneettinen leima on konjugoitu parin yhteen elementtiin. Magneettihelmien läsnäolo havaitaan sitten magneettilukijalla (magnetometri), joka mittaa helmien aiheuttaman magneettikentän muutoksen. Magneettimittarin mittaama signaali on verrannollinen analyytin (viruksen, toksiinin, bakteerien, sydänmarkkerin jne.) pitoisuuteen alkuperäisessä näytteessä.

Magneettimerkinnät

Magneettihelmet on valmistettu nanometrikokoisista rautaoksidihiukkasista, jotka on kapseloitu tai liimattu yhteen polymeerien kanssa. Nämä magneettihelmet ovat kooltaan 35 nm:stä 4,5 μm:iin. Magneettiset nanohiukkaset ovat kooltaan 5-50 nm, ja niillä on ainutlaatuinen ominaisuus, jota kutsutaan superparamagnetismiksi, kun niihin kohdistetaan ulkoinen magneettikenttä. Tämän superparamagneettisen ominaisuuden löysi ensimmäisenä ranskalainen Louis Néel, joka sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1970, ja sitä on jo käytetty lääketieteellisissä sovelluksissa magneettiresonanssikuvantamisessa (MRI) ja biologisissa erotteluissa, mutta ei vielä kaupallisissa diagnoosisovelluksissa merkitsemiseen. Magneettimerkinnöillä on useita ominaisuuksia, jotka soveltuvat hyvin tällaisiin sovelluksiin:

• reagenssikemia tai valonvalkaisu ei vaikuta niihin, joten ne ovat vakaita ajan mittaan,
• biomolekyylinäytteen magneettinen tausta on yleensä merkityksetön,
• näytteen sameus tai värjäytyminen ei vaikuta magneettisiin ominaisuuksiin,
• magneettihelmiä voidaan manipuloida etäältä magneettisesti.

Havaitseminen

Magneettisella immunomäärityksellä (MIA) voidaan havaita valikoituja molekyylejä tai taudinaiheuttajia käyttämällä magneettisesti merkittyä vasta-ainetta. Toiminta muistuttaa ELISA- tai Western Blot -menetelmää, ja analyyttien pitoisuuksien määrittämiseen käytetään kahden vasta-aineen sitoutumisprosessia. MIA:ssa käytetään vasta-aineita, jotka päällystävät magneettihelmiä. Nämä vasta-aineet sitoutuvat suoraan haluttuun taudinaiheuttajaan tai molekyyliin, ja sitoutuneista helmistä lähtevä magneettinen signaali luetaan magnetometrillä. Suurin etu, jonka tämä tekniikka tarjoaa immunovärjäykseen, on se, että se voidaan suorittaa nestemäisessä väliaineessa, kun taas ELISA:n tai Western Blottingin kaltaiset menetelmät vaativat paikallaan pysyvän väliaineen, johon haluttu kohde sitoutuu ennen kuin sekundäärivasta-aine (kuten HRP [Horse Radish Peroxidase]) voidaan käyttää. Koska MIA voidaan suorittaa nestemäisessä väliaineessa, haluttujen molekyylien tarkempi mittaus voidaan suorittaa mallijärjestelmässä. Koska kvantifioitavien tulosten saamiseksi ei tarvitse tehdä eristystä, käyttäjät voivat seurata aktiivisuutta järjestelmässä. Saadakseen paremman käsityksen kohteensa käyttäytymisestä.

Tapoja, joilla tämä havaitseminen voi tapahtua, on hyvin lukuisia. Yksinkertaisin toteamismuoto on ajaa näyte painovoimapylvään läpi, joka sisältää polyeteenimatriisin, jossa on sekundäärinen vasta-aine. Kohdeyhdiste sitoutuu matriisin sisältämään vasta-aineeseen, ja mahdolliset jäännösaineet pestään pois käyttämällä valittua puskuria. Magneettiset vasta-aineet johdetaan sitten saman kolonnin läpi, ja inkubaatioajan jälkeen kaikki sitoutumattomat vasta-aineet pestään pois samalla menetelmällä kuin aiemmin. Kohdeaineeseen sitoutuneista magneettihelmistä saatua lukemaa, jonka kalvon vasta-aineet ovat vanginneet, käytetään kohdeyhdisteen kvantifiointiin liuoksessa.

Koska menetelmä on niin samankaltainen kuin ELISA- tai Western Blot -menetelmä, MIA-kokeet voidaan mukauttaa niin, että niissä käytetään samaa ilmaisua, jos tutkija haluaa kvantifioida tietonsa samalla tavalla.

Magnetometrit

Yksinkertaisella laitteella voidaan havaita näytteen läsnäolo ja mitata sen magneettinen kokonaissignaali, mutta tehokkaan MIA:n kehittämisen haasteena on erottaa luonnossa esiintyvä magneettinen tausta (kohina) heikosta magneettisesti leimatusta kohteesta (signaali). Erilaisia lähestymistapoja ja laitteita on käytetty merkityksellisen signaali-kohinasuhteen (SNR) saavuttamiseksi bioanturisovelluksissa:

• jättimäiset magneettiresistiviset anturit ja spinventtiilit.
• pietsoresistiiviset kannattimet (cantilevers).
• induktiiviset anturit
• suprajohtavat kvanttiinterferenssilaitteet (SQUID).
• anisotrooppiset magneettiresistsiiviset renkaat.
• ja miniatyyri-Hall-anturit.

SNR:n parantaminen edellyttää kuitenkin usein monimutkaista laitetta, joka mahdollistaa toistuvan skannauksen ja ekstrapoloinnin tietojenkäsittelyn avulla tai kohteen ja pienikokoisen ja yhteensopivan anturin tarkan kohdistamisen. Tämän vaatimuksen lisäksi magneettimerkkien epälineaarisia magneettisia ominaisuuksia hyödyntävä MIA voi tehokkaasti hyödyntää magneettikentän luontaista kykyä läpäistä muovia, vettä, nitroselluloosaa ja muita materiaaleja, mikä mahdollistaa todelliset tilavuusmittaukset erilaisissa immunomääritysmuodoissa. Toisin kuin perinteiset menetelmät, jotka mittaavat superparamagneettisten materiaalien suskeptibiliteettia, epälineaariseen magnetoitumiseen perustuva MIA poistaa lineaaristen dia- tai paramagneettisten materiaalien, kuten näytematriisin, kulutusmuovien ja/tai nitroselluloosan, vaikutuksen. Vaikka näiden materiaalien luontainen magnetismi on hyvin heikko, tyypilliset suskeptibiliteettiarvot ovat -10-5 (dia) tai +10-3 (para), kun tutkitaan hyvin pieniä määriä superparamagneettisia materiaaleja, kuten nanogrammoja testiä kohti, apumateriaalien tuottamaa taustasignaalia ei voida jättää huomiotta. Magneettimerkkien epälineaarisiin magneettisiin ominaisuuksiin perustuvassa MIA:ssa helmet altistetaan vaihtelevalle magneettikentälle kahdella taajuudella, f1 ja f2. Epälineaaristen materiaalien, kuten superparamagneettisten leimojen, läsnä ollessa signaali voidaan rekisteröidä kombinatorisilla taajuuksilla, esimerkiksi f = f1 ± 2 × f2. Tämä signaali on täsmälleen verrannollinen lukukelan sisällä olevan magneettisen materiaalin määrään.

Tämä tekniikka mahdollistaa magneettisen immunomäärityksen monissa eri muodoissa, kuten:

• tavanomainen lateraalivirtaustesti korvaamalla kultaleimat magneettileimoilla.
• pystyvirtaustestit, jotka mahdollistavat harvinaisten analyyttien (kuten bakteerien) tutkimisen suurissa näytemäärissä.
• mikrofluidiset sovellukset ja biosirut.

Se kuvattiin myös in vivo -sovelluksia ja moniparametrisiä testejä varten.

Käyttökohteet

MIA on monipuolinen tekniikka, jota voidaan käyttää monenlaisiin tarpeisiin.

Nykyisin sitä käytetään virusten havaitsemiseen kasveissa sellaisten patogeenien kiinniottamiseksi, jotka normaalisti tuhoaisivat viljelykasveja, kuten Grapevine fanleaf virus ja Potato virus X. MIA-tekniikkaan perustuvilla kannettavilla laitteilla käyttäjä voi kerätä näihin haitallisiin viruksiin viittaavia herkkiä tietoja pelloltaan.

MIA:ta voidaan käyttää myös terapeuttisten lääkkeiden seurantaan. Tapausselostuksessa 53-vuotiaasta munuaisensiirtopotilaasta kerrotaan yksityiskohtaisesti, miten lääkärit pystyivät muuttamaan terapeuttisen lääkkeen määriä.