Система анализа потока для мультиплексированных анализов на основе шариков, которая обеспечивает показания с двумя репортерами, была использована для разработки мультиплексных серологических анализов и анализов нейтрализации антител, которые могут одновременно измерять нейтрализующие антитела IgG и IgM для SARS-CoV-2.
Пандемия COVID-19 подчеркнула необходимость быстрых высокопроизводительных методов для чувствительного и специфического серологического выявления инфекции новыми патогенами, такими как SARS-CoV-2. Мультиплексное серологическое тестирование может быть особенно полезным, поскольку оно может одновременно анализировать антитела к нескольким антигенам, что оптимизирует охват патогенов и контролирует изменчивость в организме и индивидуальную реакцию хозяина. Здесь мы описываем sars-CoV-2 IgG 3-плекс флуоресцентной микросферы, который может обнаруживать как антитела IgM, так и IgG к трем основным антигенам SARS-CoV-2 – спайковой (S) белку, спайк-ангиотензинпревращающему ферменту-2 (ACE2), рецептор-связывающему домену (RBD) и нуклеокапсиду (Nc). Было показано, что анализ имеет сопоставимую производительность с эталонным анализом SARS-CoV-2 для IgG в сыворотке, полученной через ≥21 день с момента появления симптомов, но имел более высокую чувствительность с образцами, собранными через ≤5 дней от начала симптомов. Кроме того, используя растворимый ACE2 в формате нейтрализационного анализа, было продемонстрировано ингибирование связывания антител для S и RBD.
Пандемия COVID-19 подчеркнула важность возможности быстрой разработки и внедрения быстрых, высокопроизводительных, высокоэффективных серологических тестов, которые могут быть использованы для диагностики и эпиднадзора за новыми патогенами, такими как SARS-CoV-2. Мультиплексное серологическое тестирование может быть чрезвычайно полезным в условиях пандемии, поскольку оно может одновременно анализировать антитела к нескольким антигенам, что обеспечивает широкий охват патогенов и контроль за изменчивостью в организме и реакцией хозяина на инфекцию. Недавносообщалосьо разработке мультиплексного флуоресцентного бисероплетного анализа SARS-CoV-2 IgG 3Flex (3Flex), который может обнаруживать антитела к спайково-белку (S), шипово-ангиотензинпревращающий фермент-2 (ACE2) рецептор-связывающий домен (RBD) и нуклеокапсид (Nc) SARS-CoV-2. Было показано, что 3Flex имеет сопоставимую производительность с эталонным анализом SARS-CoV-2 IgG для сыворотки, полученной через ≥21 день с момента появления симптомов, но имел более высокую чувствительность с образцами, собранными через ≤5 дней от начала симптомов. Кроме того, было продемонстрировано ингибирование связывания антител для антигенов S и RBD с использованием растворимого ACE2 в формате нейтрализационного анализа. Технология на основе мультиплексных шариков была широко принята в качестве проверенной технологии для мультиплексного серологического тестирования и имеет явные преимущества для крупномасштабного скрининга, включая короткое время до результатов, требования к небольшим образцам и сокращение трудозатрат2,3,4.
Недавно стал доступен новый прибор анализа потока, который обеспечивает ту же высокоплексную, высокопроизводительную способность системы, которая была продемонстрирована в предыдущей работе1,но с дополнительным преимуществом двух репортерных каналов. Возможность измерения двух флуоресцентных репортерных сигналов в одной реакции позволяет оценить два результата на анализируемый файл для каждого образца и идеально подходит для применения изотипирования, которое обычно должно выполняться в отдельных реакционных скважинах5. Возможность двойного репортера обеспечивает вдвое больше данных для каждого образца в вдвое меньшем количестве реакционных скважин с половиной требований к объему пробы и, таким образом, имеет явное преимущество перед системами с одним репортером. В этом исследовании подробно описывается стандартный протокол серологического анализа и описывается адаптация к анализу нейтрализации. Кроме того, в этом отчете описывается преобразование анализа одного репортера в серологический анализ с двойным репортером, а затем двойной анализ нейтрализации репортера для одновременного измерения нейтрализующих антител изотипов IgG и IgM против антигенов SARS-CoV-2 S, RBD и Nc. Визуальный обзор протокола анализа приведен на рисунке 1.
Это исследование расширило функциональность мультиплексного флуоресцентного микросферного анализа 3Flex, который качественно оценивает реакцию IgG на инфекцию SARS-CoV-21. В то время как многие серологические анализы на COVID-19 обнаруживают один антиген, этот анализ одновременно оценивает антигены S, RBD и Nc и включает внутренний контроль изотипа антител7. Кроме того, ACE2 используется в качестве индикатора для выявления нейтрализующих титров антител к SARS-CoV-2.
Анализы на несколько антигенов могут быть особенно полезны в будущем для распознавания иммунных реакций между инфицированными и вакцинированными людьми. При SARS-CoV-2, если оценивать только антитела S и RBD, было бы невозможно определить, было ли это связано с прошлой инфекцией или с ответом антител к вакцинации. Ни одна из используемых в настоящее время вакцин не нацелена на антиген Nc, поэтому, оценивая антигены S/RBD и Nc, можно отличить прошлую вирусную инфекцию (Nc- и S/RBD-положительную) от ответа на вакцинацию (только S/RBD-положительный; Nc-отрицательный).
В текущем исследовании серологические и нейтрализуемые анализы 3Flex (разделы 5 и 6) были перенесены на новый прибор анализа двойного репортерного потока (разделы 7 и 8). Типичные протоколы иммуноанализа для мультиплексных анализов на основе шариков аналогичны стандартным протоколам ИФА, следуя сопоставимым этапам инкубации образцов, инкубации антител / репортера и анализа результатов8. Предыдущие исследования также продемонстрировали, как стандартные анализы ИФА могут быть перенесены на платформу мультиплексирования на основе бисера9.
Протоколы анализа могут быть легко перенесены с предшествующие однопортажуные приборы на новую систему двойного репортера, о чем свидетельствуют результаты, полученные для тестовых образцов и элементов управления(рисунок 4 и рисунок 5). В серологическом анализе все положительные образцы сыворотки показали характерное дозочувствительное снижение сигнала, соответствующее как более высокому разбавлению образца, так и более низкой концентрации антител для обнаружения, тогда как сигналы для отрицательных образцов оставались на фоновых уровнях. Аналогичным образом, для анализа нейтрализации снижение сигналов для S и RBD, но не для Nc, соответствовало увеличению концентраций конкурента ACE2, тогда как очищенная сыворотка IgG была гораздо менее затронута добавлением ACE2. Предварительная инкубационная обработка шариков с ACE2 в течение 2 мин до добавления образца сыворотки (как описано в разделах 6 и 8) также сравнивалась с объединением шариков с ACE2 и сывороткой одновременно и производила небольшую разницу в результатах (данные не показаны). Однако, поскольку результаты, полученные с помощью шариков плюс прединкрубационная ступень ACE2, были более последовательными, это была окончательная процедура, принятая для протокола нейтрализации анализа (разделы 6 и 8).
Поскольку двойная репортерная система включает в себя второй флуоресцентный репортерный канал, оба анализа были преобразованы в изотипирование для одновременного измерения ответов IgG и IgM. Функция двойного репортера анализатора потока позволяет получать флуоресцентные сигналы от двух реагентов обнаружения репортеров для каждого анализируемого вещества в мультиплексе для каждого образца, эффективно удваивая данные, генерируемые на образец в анализе. Для разработки и оптимизации протоколов двойного репортерного анализа было оценено несколько коммерчески доступных репортерных красителей и антител обнаружения для нового канала RP2(рисунок 7 и рисунок 8)для определения наилучшего доступного варианта (вариантов). Анти-IgM антитело, конъюгированное с репортерным красителем DL 405, не работало хорошо в канале RP2(рисунок 7),поэтому биотин анти-IgG с SASB впоследствии оценивали для обнаружения в канале RP2(рисунок 8). Три комбинации реагентов для детектирования RP1 и RP2 сравнивали в двойном анализе нейтрализации репортеров(таблица 1 и рисунок 9)для определения наиболее эффективных комбинаций для одновременного обнаружения нейтрализующих антител IgG и IgM. Хотя существовали значительные различия в интенсивности сигнала между каналом RP1 с использованием PE-anti IgM и каналом RP2 с использованием DL 549 anti-IgM, не было существенной разницы в измерении процентного ингибирования связывания ACE2.
Признается ряд ограничений нынешнего метода и этого исследования. Во-первых, образцы, протестированные и использованные при разработке и оптимизации метода, были ограничены наборами из 8-11 образцов. Больше образцов будет протестировано в расширенных исследованиях, чтобы убедиться, что метод полностью оптимизирован. Во-вторых, было протестировано ограниченное количество репортерских флуорофоров и репортерских пар. Дальнейшее тестирование всех доступных репортеров во всех возможных комбинациях позволит определить, какие реагенты могут быть успешно использованы в этом методе. Анти-IgG антитело, конъюгированное с биотином, отличалось от анти-IgG-антитела, конъюгированного с репортером BV 421. Таким образом, хотя изменчивость интенсивности сигнала для BV 421 anti-IgG существовала, она могла быть обусловлена специфичностью антитела и не связана с репортерным красителем. Тестирование других доступных BV 421-конъюгированных антител может идентифицировать другое антитело, которое будет хорошо работать в канале RP2. Будущие исследования также будут оценивать комбинацию ПЭ анти-IgM с BV 421 античеловеческим IgG для обнаружения в RP1 и RP2 соответственно. Наконец, даже при двойной репортерной способности прибора анализы ограничены двумя изотипами (двумя параметрами) на реакцию. Если необходимо измерить дополнительные изотипы или желательно полное изотипирование, то дополнительные реакции с использованием тех же двух репортерных каналов должны быть запущены в отдельных скважинах.
Технология мультиплексирования на основе бисера позволяет быстро и гибко проектировать анализ с простым внедрением в рутинные лабораторные рабочие процессы3,4,10. Это исследование продемонстрировало легкость переноса ранее описанных серологических и нейтрализующих анализов 3Flex для SARS-CoV-2 на систему анализа потока для измерения IgG с помощью одного репортера или с небольшой модификацией, одновременно измеряя ответы IgG и IgM с использованием двух репортеров. Опция двойного репортера имеет явные преимущества перед платформами с одним репортером, поскольку она может предоставлять в два раза больше данных на образец, используя половину объема образца и половину количества реакционных скважин. С соответствующими репортерными красителями и антителами обнаружения анализы изотипирования могут быть легко разработаны и выполнены на приборе анализа двойного репортерного потока.
The authors have nothing to disclose.
Этот отчет был профинансирован корпорацией Luminex (Остин, техас). Авторы благодарят Мэтью Сильвермана PhD (Biomedical Publishing Solutions, Delray Beach, FL) за помощь в научном редактировании.
ACE2 (human) (rec.) | AdipoGen Life Sciences | AG-40B-0192-3050 | |
Biotin-SP (long spacer) AffiniPure Goat Anti-Human IgG, Fcγ fragment specific | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 109-065-098 | |
Bovine Serum Albumin | MilliporeSigma | A7888 | Sigma-Aldrich |
Branson 1800 Cleaner/water bath sonicator | Various | ||
Brilliant Violet 421 AffiniPure Donkey Anti-Human IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 709-675-149 | |
Corning 96-well Black Flat Bottom Polystyrene NBS Microplate | Corning | 3650 | |
Corning 96-well Microplate Aluminum Sealing Tape, Nonsterile | Corning | 6570 | |
DyLight 405 AffiniPure Goat Anti-Human IgM, Fc5μ fragment specific | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 109-475-043 | |
DyLight 549 AffiniPure F(ab')2 Goat Anti-Human IgM Fc5μ specific | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 109-506-129 | Discontinued but available from multiple vendors |
eBioscience Streptavidin Super Bright 436 Conjugate | ThermoFisher Scientific | 62-4317-82 | |
Fisherbrand Incubating Microplate Shaker | ThermoFisher Scientific | 02-217-757 | Fisher Scientific |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, PE | ThermoFisher Scientific | P-2771MP | |
Luminex Magnetic Plate Separator | Luminex Corporation | CN-0269-01 | |
MagPlex beads | Luminex Corporation | MC100XX-ID | |
PE AffiniPure F(ab')2 Goat Anti-Human IgM Fc5μ specific | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 109-116-129 | |
Phosphate Buffered Saline | MilliporeSigma | P3813 | Sigma-Aldrich |
SARS Nucleocapsid Protein Antibody | Novos Biologicals | NB100-56683 | Unconjugated, rabbit, polyclonal, Protein G purified |
SARS Nucleocapsid Protein Antibody | Novos Biologicals | NB100-56049 | Unconjugated, rabbit, polyclonal, Protein A purified |
SARS Spike Protein Antibody | Novos Biologicals | NB100-56047 | Unconjugated, rabbit, polyclonal, Protein G purified |
SARS Spike Protein Antibody | Novos Biologicals | NB100-56048 | Unconjugated, rabbit, polyclonal, Protein G purified |
SARS-CoV-2 (2019-nCoV) Spike S1 Antibody, Rabbit MAb | SinoBiological | 40150-R007 | |
Sodium Azide | MilliporeSigma | S2002 | Sigma-Aldrich |
Streptavidin, R-Phycoerythrin Conjugate (SAPE) | ThermoFisher Scientific | S21388 | premium grade |
Tube Revolver/ Rotator | ThermoFisher Scientific | 88881001 | |
TWEEN 20 | MilliporeSigma | P9416 | Sigma-Aldrich |
xMAP Antibody Couplng Kit | Luminex Corporation | 40-50016 | |
xMAP INTELLIFLEX DR-SE | Luminex Corporation | INTELLIFLEX-DRSE-RUO |