In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines bifunktionellen Biosensors nach dem Vorbild eines Baukastensystems beschrieben. Das Ziel wird durch die Kombination verschiedenster molekularer Erkennungselemente erreicht. Solche molekularen Erkennungselemente im verwendeten System sind:
• Propidium und die periphere anionische Bindungsstelle der Acetylcholinesterase (AChE)
• Organophosphate und das aktive Zentrum der AChE
• ein an die AChE gekoppeltes Hapten und das Epitop eines Antikörpers
• ein an die AChE gekoppeltes Hapten, das als Ligand ein weiteres Enzym bindet
Neben dem molekularen Erkennungselement wird ein Biosensor ebenso durch die Art des Transducers charakterisiert. Hier werden Quarzplättchen mit Goldelektroden zur Signalumwandlung eingesetzt. Die Verwendung solcher Sensoren mit einem EQCM-Gerät (electrochemical quartz crystal microbalance) ermöglicht es zwei Messsignale gleichzeitig aufzunehmen: die piezoelektrische Bestimmung einer Massebeladung und die amperometrische Detektion von Enzymaktivität auf der Sensoroberfläche.
Für die Analytik stehen somit zwei verschiedene Assay-Varianten zur Verfügung: die Bestimmung der Inhibition der ACHE-Aktivität und ein Bindungstest über das Hapten. Die Basis beider Tests ist die Modifizierung der piezoelektrischen Kristalle mit Propidium – einem reversiblen Inhibitor der Acetylcholinesterase. Dies ermöglicht die Beladung des Sensors mit AChE über die Wechselwirkung mit der peripheren anionischen Bindungsstelle des Enzyms. Die Aktivität der so immobilisierten AChE und die Inhibition durch Organophosphate (Pestizide) werden amperometrisch bestimmt. Durch die chemische Kopplung eines Hapten an die Cholinesterase wird ein weiteres Erkennungselement eingeführt. Das eröffnet die Möglichkeit, an die auf dem Propidium-modifizierten Sensor immobilisierte, haptenisierte Cholinesterase einen Antikörper zu binden.
Als Voraussetzung für elektrochemische Bestimmung der AChE-Aktivität wurde zunächst die Optimierung der amperometrischen Messmethode vorgenommen. Die Oxidatationspotentiale für die Detektion von Thiocholin wurden im Bereich von 150 mV bis 300 mV variiert. Dabei wurde für die nachfolgenden Untersuchungen eine Arbeitspotential von 200 mV (vs. Ag/AgCl) festgelegt, da hier das beste Verhältnis von gemessenem Oxidationsstrom und Langzeitstabilität der Propidium-modifizierten Sensoren erzielt wurde. Dieses Potential war deutlich geringer als die bisher publizierten Mediator-freien AChE-Biosensoren.
Es wurde ein Vergleich verschiedener Organophosphate über ihre Inhibitionskonstanten durchgeführt, um diejenigen herauszufinden, die möglichst schnell mit dem aktiven Zentrum der Acetylcholinesterase reagieren. Das verwendete Messsystem beruht nicht auf der Vorinkubation der AChE und damit einer Einstellung des Inhibitionsgleichgewichts. Stattdessen wurde die Inhibition der AChE direkt im Fließsystem verfolgt. Daher war eine schnelle Inhibitionskinetik für einen empfindlichen Organophosphat-Nachweis erforderlich. Da einige Inhibitoren nur als Phosphothionat vorlagen, wurde die Überführung dieser Substanzen in die entsprechenden Oxo-Formen mittels N-Bromsuccinimid untersucht. Die NBS-Aktivierung wurde erfolgreich durchgeführt, die erwartete Inhibitionsstärke konnte jedoch aufgrund hydrolytischer Vorgänge nicht erreicht werden. Untersuchungen mit Diisopropylfluorophosphat (DFP) und Chlorpyriphos-oxon (CPO) konnten die Voruntersuchungen über die Inhibitionskinetik in Bezug auf die erreichten Nachweisgrenzen von 2E-06 M für DFP und 5E-08 M für CPO bestätigen.
Für die chemische Modifizierung der Acetylcholinesterase wurde zunächst 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) als Hapten ausgewählt. 2,4-D wird als Herbizid eingesetzt und in der EU über die Gewässerschutzrichtlinie reguliert. 2,4-D konnte in unterschiedlichen molaren Verhältnissen von 2,6 : 1 bis 260 : 1 (2,4-D : AChE) nach Aktivierung mit einem Norbornendicarboximido-Derivat an die AChE gekoppelt werden. Dabei konnte die spezifische Aktivität der Acetylcholinesterase erhalten und die Bindung eines anti-2,4-D-Antikörpers ermöglicht werden. Zur Verstärkung des piezolelektrischen Signals der Antikörperbindung wurden die Immunoglobuline zunächst an Goldnanopartikel gekoppelt. Damit konnte eine Verstärkung um den Faktor 10 erreicht werden. Allerdings waren die Antikörper-modifizierten Goldnanopartikel nicht langzeitstabil. Daher wurden auch Silica-Nanopartikel als Matrix für die Antikörperkopplung getestet. Mit diesem System konnte eine Verstärkung um den Faktor von 5 bis 13 je nach Grad der Beladung den Nanopartikel mit Antikörper bestimmt werden. Die hohe unspezifische Bindung der Antikörper-Nanopartikel-Konjugate an den Propidium-modifizierten QCM-Sensor konnte keinen empfindlichen 2,4-D-Nachweis ermöglichen.
Als Alternative wurde Kokain (Benzoylecgonin, BZE) als Hapten an die Aceytlcholinesterase gekoppelt. Da Kokain selbst auch als Inhibitor im aktiven Zentrum der AChE binden kann, wurden zwei verschiedene Strategien zur Konjugatsynthese verfolgt. Durch Zugabe von Kokain während der Kopplung sollte die kovalente Fixierung des Kokain-Derivats BZE-DADOO im aktiven Zentrum verhindert werden (Konjugat B). In der Tat konnten mit dieser Synthesestrategie 67% der spezifischen Cholinesterase-Aktivität erhalten werden, während im Kokain-freien Ansatz (Konjugat A) nur 2% der Ausgangsaktivität wiedergefunden wurden.
Das BZE-AChE-Konjugat ermöglichte auch die Untersuchung der Bindungskinetik der anti-BZE-Antikörper. Dabei konnte eine Assoziationsgeschwindigkeitskonstante ka von 12911 l/(mol•s) berechnet werden. Dieser Wert ist trotz der vergleichsweise geringen Oberflächenbeladung vergleichbar mit den in der Literatur angegebenen Werten. Die Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante ist mit 2,89E−3 1/s um den Faktor 30 höher als der Literaturwert. Diese Abweichung ist auf Unterschiede im Bindungsmodell zurückzuführen. Mit beiden BZE-AChE-Konjugaten konnte ein kompetetiver Immunoassay mit Kokain im Fließsystem durchgeführt werden. Dabei zeigte sich für beide Konjugate ein ähnlicher Testmittelpunkt: IC50 = 4,40E−8 mol/l für Konjugat A bzw. IC50 = 1,77E−8 mol/l für Konjugat B. Diese Werte sind vergleichbar zu bereits publizierten Kokainassays im Fließsystem.
Wie vorstehend beschrieben, bindet Kokain als Inhibitor auch im aktiven Zentrum von Cholinesterasen. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um ein zweites Enzym – Butyrylcholinesterase (BChE) – an die BZE-AChE zu binden. Die Spezifität dieser Bindung konnte durch die Abwesenheit einer Affinität der BChE zum Propidium und durch die Blockierbarkeit der Bindung von BChE und BZE-AChE durch Kokain nachgewiesen werden.
Damit konnte erfolgreich die Kombination mehrere molekularer Erkennungselemente demonstriert werden. Die Propidium-Plattform ermöglicht den Aufbau einer Architektur aus verschiedenen Cholinesterasen, die über unterschiedliche Bindungsstellen wechselwirken. Sowohl freie als auch BZE-modifizierte AChE können über die Affinität zum Propidium auf dem EQCM-Sensor immobilisiert werden. Mit Kokain als Substrat der Butyrylcholinesterase kann Benzoylecgonin nicht nur als Epitop für die Bindung eines Antikörpers, sondern auch als Erkennungselement für die BChE genutzt werden. Auf der anderen Seite erschwert die geringe Affinität der BChE im Gegensatz zum anti-BZE-Antikörper den Einsatz dieses Systems für analytische Zwecke. Durch die Verwendung anderer Ligand-Enzym-Kombinationen läßt sich das in dieser Arbeit vorgestellte Konzept noch weiter ausbauen und ermöglicht damit eine Entwicklung ausgehend von „einfachen“ molekularen Erkennungselementen (MRE) hin zu „multifunktionellen“ Erkennungselementsystemen. In dieser Arbeit konnte demonstriert werden, dass der Aufbau solch komplexe Systeme möglich ist, ohne Abstriche in Bezug auf die Empfindlichkeit der einzelnen Assays hinzunehmen. / This work describes the development of a bifunctional biosensor following a modular assembly approach. This aim is reached through the combination of various molecular recognition elements. The system presented herein uses the following recognition elements:
• propidium and the peripheral anionic site of the acetylcholinesterase (AChE)
• an organophosphate and the active site of the AChE
• a hapten – covalently coupled to the AChE – and the epitope of an antibody
• a hapten – covalently coupled to the AChE – binding as a ligand to another enzyme
A biosensor is not only characterized by the molecular recognition element, but also by the type of signal transducer. This work is based on an electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) device that uses gold-plated quartz sensors for the signal transduction. This allows monitoring two distinct signals at the same time: the piezoelectric determination of a mass loading and the amperometrical detection of enzymatic activity on the sensor surface.
Thus two different assay systems are provided: the determination of the inhibition of the AChE activity and ligand binding assay via the hapten. Both tests are based on the modification of the piezoelectric crystals with propidium – a reversible AChE inhibitor. This allows the deposition of AChE on the sensor surface via the interaction with the enzyme’s peripheral anionic site. The enzymatic activity of the in-situ immobilized AChE and the inhibition by organophosphates (pesticides) are measured amperometrically. Another recognition element is introduced by the chemical coupling of a hapten to the cholinesterase. This provides the opportunity bind an antibody to the haptenized cholinesterase that is immobilized on the propidium-modified sensor.
Preliminary experiments were focussed on the improvement of the amperometric determination the AChE activity. The applied potential for the oxidation of thiocholine was changed over a range from 150 to 300 mV. The best results for the measured oxidation current and the long-term stability of the propidium-modified sensors were obtained at 200 mV (vs. Ag/AgCl). This potential was used throughout all subsequent experiments. This potential was also found to be lower as compared to mediator-free AChE-biosensors published hitherto.
Different organophosphates were evaluated with regard to their inhibition constants to find those which react with active site of the acetylcholinesterase as fast as possible. The assay format used herein monitors the inhibition of the AChE directly in the flow-system. That is, it is not based preincubation of the enzyme with the inhibitor and therefore no inhibition equilibrium is reached. This approach requires fast inhibition kinetics in order to detect the organophosphates highly sensitively. Some of the inhibitors were only available in the phosphothionate form. Thus was necessary to convert these compounds to their respective oxon-forms by N-bromosuccinimide (NBS). The NBS-activation was performed successfully, though the expected inhibition potential could not be reached due to hydrolytic processes. Experiments with diisopropylfluorophosphate (DFP) und chlorpyriphos-oxon (CPO) could confirm the previous experiments on the inhibtion kinetics. Lower limits of detection of 2E-06 M for DFP and 5E-08 M for CPO could be reached with this approach.
Initially 2,4-dichlorphenoxyacetic acid (2,4-D) was chosen as a hapten for the chemical modification of the acetylcholinesterase. The use of 2,4-D as a herbicide is regulated by the water protection directive of the European Union. 2,4-D was coupled to AChE in different molar ratios from 2,6 : 1 to 260 : 1 (2,4-D : AChE) after activation with a norbornendicarboximido derivative. The chosen coupling method allowed to recover the complete specific activity of the acetylcholinesterase and to bind a specific anti-2,4-D-antibody. Furthermore, the coupling of the immunoglobulins to gold nanoparticles was tested to enhance the piezoelectric signal of the antibody binding. An amplification factor of 10 was reached with this system. However the antibody-coated gold nanoparticles show a very poor long-term stability. Therefore also silica nanoparticles were tested as a matrix for the coupling of the antibodies. This approach yielded an amplification factor from 5 to 13 depending amount of antibodies bound to the nanoparticles. Unfortunately the high non-specific binding of the antibody nanoparticle conjugates did not allow a sensitive 2,4-D detection assay.
Cocaine (benzoylecgonine, BZE) was coupled as a hapten to Acetylcholinesterase in an alternative approach. Two different strategies for the synthesis of the conjugate were pursued, since cocaine can bind also bind as an inhibitor for the AChE’s active site. The addition of excess cocaine during the coupling reaction should the covalent binding of the cocaine derivative BZE-DADOO at the active site (conjugate B). Indeed over two thirds of the original specific cholinesterase activity could be recovered with this strategy, while the cocaine-free batch (conjugate A) showed only 2% of the original activity.
Furthermore the BZE-AChE conjugate allowed the evaluation of the binding kinetics of the anti-BZE-antibody. The association rate constant ka was calculated to 12911 l/(mol•s). Despite the low surface coverage this value is still comparable to other published results. The dissociation rate constant kd of 2,89E−3 1/s is thirty times higher than values found in the literature. This deviation is due to differences in the applied binding model. Both BZE-AChE conjugates could be applied in a competitive immunoassay for cocaine in the flow system. It was shown that for both conjugates a similar half maximal inhibitory concentration was reached: : IC50 = 4,40E−8 mol/l for conjugate A and IC50 = 1,77E−8 mol/l for conjugate B, respectively. These values are comparable to other published assay for cocaine in a flow system.
As described earlier, cocaine is also able to bind to the active site of cholinesterases. This feature was used to examine the interaction of a second enzyme – butyrylcholinesterase (BChE) – with the BZE-AChE. Evidence for the specificity of this interaction was provided by two further experiments, i.e. BChE has no affinity towards Propidium and the binding of BChE towards BZE-AChE could be blocked by excess cocaine.
Thus the successful integration of recognition elements on the molecular level could be demonstrated. The propidium-modifies sensor allowed the construction of a scaffold of cholinesterases that interact via different recognition sites. Unmodified and BZE-coupled AChE can be immobilized on the EQCM-sensor via the interaction with propidium. With cocaine being a substrate BChE this compound cannot only be used to capture anti-BZE-antibodies, but also as a recognition element for BChE. The affinity of the BChE towards is relatively low as compared to the antibody’s binding strength, thus making it difficult to employ this system for analytical purposes. Still the concept presented herein can be extended by other ligand-enzyme-combinations. On the basis of “simple” molecular recognition elements this enables the development of “multifunctional” recognition element systems. This work could show that the construction of such complex systems is possible without cutting back with regard to the sensitivity of the individual assays.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:2502 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Teller, Carsten |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Biochemie und Biologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/de/ |
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