Кто онлайн
Общие статьи, советы, рекомендации, фотогаллереи
Каждая страничка нашего сайта, посвященная животным, содержит две части:
- Рекомендации по выбору домашнего питомца, уходу за ними, описание заболеваний, характерных для данного вида
- Фотогалерею с фотографиями наших пациентов с коротким описанием конкретных случаев обращения в клинику
Иммуноферментный анализ (ИФА)
Московский государственный университет
им. М.В. Ломоносова
ВВЕДЕНИЕ
Возможно ли количественное определение того или иного компонента в сыворотке крови, растительном соке, культуральной жидкости от микроорганизмов, клеточном гомогенате, вытяжке из образца почвы, содержащих сотни и тысячи различных компонентов? Возможно, но при одном условии: анализируемый компонент должен обладать свойствами антигена, то есть способностью вызывать в организме человека или животных синтез особых белков – антител, с высокой специфичностью связывающих антиген. Решение таких задач — сфера иммуноферментного анализа (ИФА). Однако предварительно необходимо получить очищенный антиген, соответствующее антитело и подобрать фермент в качестве метки для антитела или антигена.
И тогда можно провести иммунохимические реакции:

В первом варианте (уравнение (1)) из антигена Аг, находящегося в тестируемом образце, и меченого антитела Ат*, добавленного в концентрации, превышающей концентрацию Аг, образуется комплекс Аг—Ат*. Количественный анализ реакции (1) может быть проведен по образованию комплекса Аг—Ат*, детектируемого с помощью ферментной метки, или по Ат*, оставшемуся в свободном состоянии. Это неконкурентный вариант ИФА. Во втором варианте (уравнение (2)) лимитирующим субстратом является антитело Ат. Меченый антиген Аг*, будучи добавленным в анализируемый образец в известной концентрации, связывается с антителом, образуя комплекс Аг*—Ат. В этой реакции Аг* будет конкурировать с немеченым антигеном Аг, содержащимся в образце. Концентрация Аг*—Ат будет обратно пропорциональна концентрации Аг. Таким способом по заранее известной концентрации Аг* можно определить неизвестную концентрацию Аг. Это конкурентный вариант ИФА. В обоих вариантах ИФА надо решить важную задачу — разделить связанную фракцию меченого реагента (Аг—Ат* или Аг*—Ат) от несвязавшегося, свободного реагента (Ат* или Аг*), чтобы определить долю специфического связывания.
Хроматографические колонки с сорбентом, с которым ковалентно связан антиген (или антитело), используются в аффинной хроматографии – отделении соответствующего антитела (или антигена) из смесей в результате образования иммунных комплексов (см. раздел "Антитело"). Еще одно применение иммунохимического анализа -иммуносенсоры: пьезокристалл, покрытый антигеном (антителом), в результате связывания антител (антигена) увеличивает свою массу и меняет частоту резонансных колебаний в переменном электрическом поле, что позволяет регистрировать изменение массы пьезоэлектрика порядка 10- 12 г.
Таким образом, ИФА — это лишь один из способов определения антигенов, получивший широкое практическое распространение благодаря возможности количественных определений, высокой чувствительности и коммерческой доступности. В научно-исследовательской работе эти возможности иммунохимических методов всегда используются вместе с ИФА и даже с применением одних и тех же реагентов. Рассмотрение всей совокупности этих методов физически невозможно в рамках одной статьи. Поэтому настоящая работа ограничивается ИФА.АНТИГЕН
В качестве антигена могут быть клетки микроорганизмов, вирусы, белки и полисахариды. Это полноценные антигены. Антитела образуются не против всей молекулы белка или бактериальной клетки, а только к небольшим участкам на их поверхности — антигенным детерминантам (эпитопам). Такие участки у белков включают не менее пяти аминокислотных остатков. Антигенные детерминанты разветвленных молекул полисахаридов представлены цепочками из четырех—шести остатков.
АНТИТЕЛО
Антитела получают путем иммунизации животных соответствующим антигеном: в лабораторных условиях это мыши, морские свинки, кролики, на производстве овцы, козы, лошади. Пригодны куры: антитела после иммунизации выделяют из желтков яиц.
Однако даже такой способ очистки не позволяет полностью избавиться от гетерогенности препарата антител. Выход из этого затруднения — в получении антител с одной специфичностью, реагирующих с единственной антигенной детерминантой. Такие антитела называются моноклональными (см. [3]). Их получают методами клеточной инженерии путем гибридизации иммунокомпетентных В-лимфо-цитов и клеток миеломных опухолей, способных к быстрому размножению, неограниченному числом делений (в отличие от большинства неопухолевых клеток, у которых число делений ограничено). Препараты моноклональных антител характеризуются постоянством состава и физико-химических свойств, низкой вероятностью перекрестной реакции с "чужими" антигенами. Это высокотехнологичный продукт. Его недостаток — зачастую сравнительно низкое сродство к субстрату, низкая аффинность.
ФЕРМЕНТЫ КАК МЕТКИ В ИФА
Необходимо подобрать такой фермент, который длительно сохраняет свою активность, не теряет ее при операции связывания с антигеном или антителом, обладает высокой специфичностью к субстрату. Широко используются пероксидаза хрена, щелочная фосфатаза и β-галактозидаза Escherichia coli. Перспективны люциферазы светлячков и светящихся бактерий. Активность ферментов детектируют по изменению оптической плотности, флуориметриче-ски и электрохимически. Люциферазные реакции сопровождаются высвечиванием фотонов, поэтому их регистрируют по биолюминесценции. Несколько примеров.
Пероксидаза катализирует реакцию

В качестве AH2 могут быть разные соединения. Так, восстановленный бесцветный о-фенилендиамин в пероксидазной реакции превращается в окисленную окрашенную форму с максимумом оптического поглощения при 435 нм, регистрируемую фотометрически.
Шелочная фосфатаза катализирует гидролиз фосфорных эфиров: 4-нитрофенилфосфат превращается в 4-нитрофенол, регистрируемый по оптической плотности при 405 нм; 4-метилумбеллиферилфосфат превращается в 4-метилумбеллиферон, флуоресцирующий с высоким квантовым выходом при 450 нм (флуоресценцию возбуждают при 365 нм).
β-Галактозидаза катализирует гидролиз лактозы с образованием глюкозы и галактозы. Если вместо природного субстрата взять 4-метилумбеллиферил- β-D-галактозид, при гидролизе образуются галактоза и 4-метилумбеллиферон, регистрируемый флуо-риметрически.
В люциферазных реакциях детектируют биолюминесценцию:

где АТФ — аденозинтрифосфат, АМФ — аденозин-монофосфат, Фн — ортофосфат, ФМН и ФМНН2 — окисленный и восстановленный флавинмононук-леотид, R—CHO и R—COOH — жирный альдегид и соответствующая кислота.
СВЯЗЫВАНИЕ ФЕРМЕНТНОЙ МЕТКИ
Как связать фермент с антителом или антигеном без потери активности фермента и нарушения свойств антитела и антигена? Для этого существуют три группы методов: биохимические, иммунологические и генноинженерные.
В биохимических методах используется сшивка фермента E с антителом или антигеном при участии свободных реакционноспособных групп: — NH2, — COOH, —SH, —OH. Например,

Бсли прямое взаимодействие реализовать не удается, в ход идут бифункциональные сшивающие агенты: глутаровый диальдегид, и-бензохинон. Функциональные группы реагентов могут быть активированы. Так, гидроксигруппы в углеводном компоненте пероксидазы хрена можно окислить с помощью периодата натрия до альдегидных, через которые затем пришиваются антиген или антитело при участии аминогрупп с образованием основания Шиффа:

Витамин биотин исключительно прочно связывается с яичным белком авидином — ингибитором би-отинсодержащих ферментов: константа связывания в реакции авидин (А) + биотин (Б) —► комплекс АБ, определяемая из уравнения K1 = [АБ]/[А] • [Б], составляет ~1015 М-1. Бсли приготовить комплексы Аг-биотин и авидин-E и затем смешать их, то образуется комплекс Аг-биотин-авидин-Е.
Fc – фрагменты антител образуют прочный комплекс с белком A стафилококка. При наличии антител к ферменту и конъюгата белок А-антиген можно получить комплекс Е-Ат—белок А-Аг.


РАЗДЕЛЕНИЕ СВОБОДНОГО И СВЯЗАННОГО РЕАГЕНТА, МЕЧЕННОГО ФЕРМЕНТОМ
Количественный анализ иммунохимических реакций (см. уравнения (1) и (2)) может быть проведен по продуктам (Аг—Ат* и Аг*—Ат) или по субстратам реакций, оставшимся в свободном состоянии (Ат* и Аг*). Для этого используют два основных подхода.
Первый подход — направленное воздействие на ферментативную активность комплекса Аг—E посредством связанного Ат, ведущее к торможению или, напротив, к возрастанию скорости ферментативной реакции (см. раздел "Гомогенный ИФА"). Такой ИФА может быть реализован в однофазной системе — в растворе и поэтому называется гомогенным или жидкофазным. Это ИФА без предварительного физического разделения меченых лиган-дов (Ат* или Аг*) от их иммунохимических комплексов — продуктов реакций (1) и (2).
ГОМОГЕННЫЙ ИФА
Антитело, образуя комплекс с антигеном, подавляет активность связанного фермента: комплекс Аг—Е, подобно свободному E, катализирует превращение субстрата S в продукт реакции P

Потеря активности может быть вызвана изменением конформации молекулы фермента, ведущим к нарушению структуры его активного центра. Другая причина — фермент не может проявить активность, поскольку антитело закрыло доступ субстрата к активному центру фермента.
Если добавить свободный антиген, то он, конкурируя за Ат, вызывает регенерацию Аг—Е, появляется активность фермента:

При наличии калибровочной кривой, построенной с применением известных концентраций меченого и немеченого антигена (график будет представлять собой линейную зависимость между концентрацией Аг и ферментативной активностью Аг—Е), таким методом (конкурентного, гомогенного ИФА) можно определить концентрацию антигена в исследуемом образце.
Наряду с ферментами в гомогенном ИФА в качестве метки могут быть использованы модуляторы (М) ферментов — вещества, способные подавлять или стимулировать активность ферментов


Комплекс Аг—М—Б каталитически активен, а будучи связанным с Ат, неспособен катализировать реакцию. Свободный Аг, находящийся в тестируемом образце, конкурируя с Аг—М—Б за связывание с Ат, добавленным в лимитированном количестве, ведет к увеличению концентрации Аг—М—Б и тем самым способствует протеканию ферментативной реакции. Это вариант с положительным модулятором фермента. Напротив, с отрицательным модулятором активность фермента будет снижаться по мере возрастания свободного Аг в тестируемом образце.
Существует много других модификаций гомогенного ИФА. Назовем еще три из них: применение в качестве метки простетической группы ферментов, ковалентно связанной с Аг; комплексов флуорогенных субстратов (S) фермента с Аг (в отличие от Аг—S комплекс Ат—Аг—S не может служить субстратом фермента, в результате ферментативной реакции образуется интенсивно флуоресцирующий продукт); применение антител, которые, связываясь с активным центром фермента, ингибируют его активность. Время, за которое проводится гомогенный ИФА, не превышает 5 мин. Хотя гомогенному ИФА присущи быстрота и малая трудоемкость, он характеризуется более низкой чувствительностью в сравнении с гетерогенным ИФА.ГЕТЕРОГЕННЫЙ ИФА
Антитела Ат связываются со стенками лунки на полистироловом планшете (рис. 3,а). Избыток Ат смывают буферным раствором. Оставшиеся незанятыми участки связывания на поверхности полистирола блокируют добавлением постороннего белка, например бычьим сывороточным альбумином; поверхность вновь отмывают (на рис. 3,а не показано). Образец, содержащий антиген Аг в неизвестной концентрации, смешивают с определенным количеством меченого антигена и добавляют к антителам, фиксированным на полистироловой подложке. Аг и Аг—Б конкурентно связываются с Ат. Поверхность полистирола опять отмывают для удаления несвязанных Аг и Аг—Б. После этого определяют активность фермента в лунке полистиролового планшета, которая будет обратно пропорциональна концентрации антигена в исследуемом образце. Это конкурентный гетерогенный ИФА.
На рис. 3,б показан другой вариант гетерогенного ИФА — неконкурентный, так называемый метод сандвича. На поверхности полистирола сорбируют антитела Ат1 , связывающие Аг (он должен обладать не менее чем двумя валентностями) из тестируемого образца. Затем добавляют вторые антитела Ат2, сшитые с ферментом Б. После удаления избытка Ат2—Б в лунку полистиролового планшета добавляют субстрат реакции и определяют активность фермента, которая будет линейно зависеть от концентрации Аг в образце.
С помощью специального спектрального прибора результаты ферментативной реакции в полистироловых планшетах можно измерить за одну минуту в 96 лунках. Однако в целом гетерогенный ИФА продолжительнее гомогенного. Его проведение требует до 3—4 часов, поскольку на каждом этапе операции должно установиться равновесие, и лишь после этого можно провести отмывку имму-носорбента, которая тоже занимает время.
ПРИМЕНЕНИЕ ИФА
Чувствительность ИФА такова, что определение веществ в концентрациях 10-9–10-12 М, белка в мик-рограммах-нанограммах в 1 мл — это обыденное дело. Подобно тому как глаз человека регистрирует одиночный световой квант, ИФА можно усовершенствовать так, что он с помощью каскадных систем усиления позволит обнаруживать одиночные молекулы анализируемого вещества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абелев Г.И. Основы иммунитета // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 5. С. 4—10.
2. Галактионов В.Г. Как работает иммунная система // Там же. 1997. № 12. С. 2—9.
3. Абелев Г.И. Моноклональные антитела // Там же. 1998. № 1. С. 16—20.
4. Березин И.В. и др. Биотехнология / Ред. Н.С. Егоров, В.Д. Самуилов. М.: Высш. шк., 1987. Кн. 8: Инженерная энзимология.
5. Егоров А.М. и др. Теория и практика иммунофер-ментного анализа. М.: Высш. шк., 1991.
6. Иммуноферментный анализ / Ред. Т.Т. Нго, Г. Ленхофф. М.: Мир, 1988.
Виталий Дмитриевич Самуилов, доктор биологических наук, профессор кафедры клеточной физиологии и иммунологии МГУ. Область научных интересов – биоэнергетика, микробиология, биотехнология, иммунология. Автор более 200 статей, монографии и трех учебных пособий.
По любым вопросам относительно здоровья своих питомцев
вы можете обратиться в нашу клинику по адресу:
ул. Новомостицкая, 2, тел: 353-35-34 с 9.00 до 21.00
ул. Вышгородская, 69, тел. 353-35-33 с 9.00 до 21.00
с 14.00 до 15.00 санитарный час
Ветеринарная клиника «УМКА»
www.umka-vet.com.ua
Главная