Dieser Artikel beschreibt eine geeignete Methode zur gleichzeitigen Überwachung dynamischer Veränderungen in Antikörpertitern für zwei Immunglobulin-Isotypen (entweder IgA, IgM oder IgG), die sich aus einer Immunantwort auf eine SARS-CoV-2-Infektion oder -Impfung ergeben. Dieses “Multianalyte Covid-19 Immune Response Panel” verwendet drei indirekte Immunoassays, die auf codierten Mikrosphären basieren und mit einem flussbasierten Multiplex-Leser mit “Dual-Channel”-Fähigkeit gelesen werden.
Multiplex-Technologien zur gemeinsamen Abfrage mehrerer Biomarker existieren seit mehreren Jahrzehnten; Die Methoden zur Bewertung mehrerer Epitope auf demselben Analyten bleiben jedoch begrenzt. Dieser Bericht beschreibt die Entwicklung und Optimierung eines Multiplex-Immunbead-Assays für die serologische Untersuchung häufiger Immunglobulin-Isotypen (z. B. IgA, IgM und IgG), die mit einer Immunantwort auf eine SARS-CoV-2-Infektion oder -Impfung assoziiert sind. Die Assays wurden mit einem strömungsbasierten Multiplex-fluoreszierenden Lesegerät mit Zweikanalfähigkeit durchgeführt. Die Optimierungen konzentrierten sich auf die Analyterfassungszeit, die Detektionsantikörperkonzentration und die Inkubationszeit für den Nachweis von Antikörpern. Analytische Assay-Leistungsmerkmale (z. B. Assay-Bereich (einschließlich unterer und oberer Quantifizierungsgrenzen) sowie Intra- und Inter-Assay-Präzision) wurden entweder für IgG/IgM- oder IgA/IgM-Serotyp-Kombination im Tandem unter Verwendung des “Zweikanal”-Modus festgelegt. Analyterfassungszeiten von 30 min für IgG, 60 min für IgM und 120 min für IgA waren für die meisten Anwendungen geeignet und boten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Assay-Leistung und Durchsatz. Optimale Detektionsantikörperinkubationen bei 4 μg/ml für 30 min wurden beobachtet und werden für allgemeine Anwendungen empfohlen, da insgesamt eine ausgezeichnete Genauigkeit (prozentualer Varianzkoeffizient (%CV) ≤ 20%) und Sensitivitätswerte beobachtet werden. Der Dynamikbereich für den IgG-Isotyp umfasste mehrere Größenordnungen für jeden Assay (Spike S1, Nucleocapsid und Membranglykoproteine), was robuste Titerbewertungen bei einem Verdünnungsfaktor von 1:500 für klinische Anwendungen unterstützt. Schließlich wurde das optimierte Protokoll auf die Überwachung der Spike S1-Serokonversion für Probanden (n = 4) angewendet, die ein SARS-CoV-2-Impfstoffregime abgeschlossen hatten. Innerhalb dieser Kohorte wurde beobachtet, dass die Spike S1 IgG-Spiegel nach 14 Tagen nach der zweiten Verabreichung der Dosis maximale Titer erreichten, bei einer viel höheren (~ 40-fachen) Signalintensität als entweder IgM- oder IgA-Isotypen. Interessanterweise beobachteten wir hochvariable Spike S1 IgG-Titerzerfallsraten, die weitgehend subjektabhängig waren, was das Thema zukünftiger Studien sein wird.
Die gleichzeitige Messung mehrerer krankheitsbezogener Biomarker in biologischen Proben ermöglicht deskriptive und prädiktive Einblicke in pathologische Prozesse. Während herkömmliche immunologische Einzelanalytverfahren, wie z. B. enzymgebundene Immunsorbentien-Assays (ELISAs), der Eckpfeiler quantitativer Analysen sowohl im klinischen als auch im Forschungsumfeld waren, können diese Techniken erhebliche Einschränkungen hinsichtlich des Durchsatzes, der für jede Messung erforderlichen Probenmenge und der Kosteneffizienz aufweisen, die die Untersuchung mehrerer biologischer Elemente, die häufig während des Krankheitsverlaufs miteinander verflochten sind, stark einschränken1 . Die mikrokugelbasierte Multiplexing-Technologie ist zu einer unverzichtbaren Plattform für Diagnose- und Forschungseinrichtungen geworden, da sie Assays kombinieren kann, um den Labordurchsatz zu verbessern, die Probenknappheit zu verringern und wiederholte Tests zu reduzieren, um die Kosteneinsparungen zu maximieren 1,2,3,4. Vor kurzem wurde eine weitere Erweiterung dieser Multiplexing-Leistung mit Instrumenten eingeführt, die über Dual-Reporter-Fähigkeiten verfügen. Die Dual-Reporter-Funktion implementiert zwei fluoreszierende Kanäle für die Detektion und liefert eine weitere Dimension des Multiplexings, die den Nachweis mehrerer Epitope auf demselben Analyten ermöglicht.
Das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ist der Erreger, der für die aktuelle Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) Pandemie5 verantwortlich ist. Während RT-PCR-Tests für die Infektionsbestätigung zu Beginn des Krankheitsverlaufs von entscheidender Bedeutung sind, haben sich serologische Untersuchungen von Antikörpertitern als unerlässlich für die genaue und vollständige Kritik von Individuen in Bezug auf eine frühere Exposition oder Genesung erwiesen; eine Reaktion auf die Immunisierung; und/oder eine Bewertung der Wirksamkeit der Covid-19-Impfung 6,7.
Dieser Bericht beschreibt Methoden zur Messung der Serokonversion für mehrere virale SARS-CoV-2-Antigene, die ein flussbasiertes Multiplex-Reader-Dual-Reporting-System verwenden. Insbesondere wird der gleichzeitige Nachweis von zwei Antikörper-Subtypen (konfiguriert als IgG / IgM oder IgA / IgM) für ein 3-Plex-SARS-CoV-2-Antigen-Panel beschrieben, das Assays für Spike S1-, Nucleocapsid- und Membranglykoproteine (auch bekannt als Matrix) enthält. Dieser Ansatz bietet ein ideales Unternehmen für die Erfassung der longitudinalen Serokonversion und trägt zu einem wertvollen Werkzeug im Arsenal gegen die Covid-19-Pandemie bei.
Die Bewertung einer Immunantwort auf SARS-CoV-2-Exposition in Verbindung mit einer RT-PCR-basierten Überwachung des Infektionsstatus wurde gut als Rezept zur Klärung des Genesungsverlaufs von Covid-19, zur Identifizierung von Rekonvaleszentenplasma mit potenziellem therapeutischem Wert und zur Erhebung der Infektionsraten auf Bevölkerungsebenebeschrieben 10,11. Verschiedene Beispiele für das Verständnis der Serokonversion bei menschlichen Probanden sind Protein(antigen)-Arrays 12, Immunoblots13, schnelle immunchromatographische Konstrukte 14 und enzymgebundene Immunsorbentien-Assays (ELISAs) 15,16,17. Jede dieser oben genannten Techniken kann mehrere Immunglobulin-Isotypen einzeln mit geringfügigen Modifikationen beurteilen. Diese Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, praktisch umfunktioniert zu werden, um eine parallele Analyse mehrerer Isotypen zu ermöglichen, wie in diesem Manuskript vorgestellt, was Kosten- und Durchsatzfaktoren als Einschränkungen für ihre Verwaltung auf einer populationsbasierten Skalenteststrategie darstellt. Mehrere dieser Anwendungen bieten auch die Möglichkeit, Konzentrationen mehrerer Antigene parallel zu verketten, entweder wie vorgestellt oder in veränderten Formaten, wie z. B. einem Multiplex-ELISA18,19. Schließlich bietet die Immunbead-Plattform die Möglichkeit, Konzentrationen mehrerer Antigene parallelzu bewerten 20,21, war jedoch auf ein einzelnes Epitop (d. h. Immunglobulin-Isotyp) pro Assay beschränkt, es sei denn, das jüngste Instrument mit “Zweikanal”-Assay-Fähigkeiten wird eingesetzt.
In diesem Bericht werden Protokolle aufgezählt, die die zuverlässige Messung mehrerer Epitope in einem Immunperlen-Assay mit dem Instrument im “Zweikanal”-Modus in einer Fallstudie zur Serokonversion von Covid-19-geimpften Personen belegen. Die Methode zeigte eine ausgezeichnete Präzision (%CV-Werte typischerweise <20%) unter Verwendung manueller Assay-Designs, die durch die Integration automatisierter Laborsysteme verbessert werden können. Assay-Sensitivität und Dynamikumfang für alle ausgewählten Analyten und Epitope waren für Routineauswertungen geeignet. Obwohl das Fehlen kommerziell erhältlicher Anti-Antigen-IgA- und IgM-Immunreagenzien die Quantifizierung auf den IgG-Isotyp beschränkte, schließt eine solche Beschränkung nicht aus, dass semiquantitative Bewertungen oder Bewertungen in Bezug auf eine bestimmte Probe als Kalibrant22,23 angeboten werden können.
Der validierte Immunperlen-Assay wurde zugewiesen, um die Serokonversion in einer Kohorte von Personen zu untersuchen, die mit dem Covid-19-Impfstoff immunisiert wurden. Im Gegensatz zu anderen ähnlichen Plattformen ermöglicht die Instrumentierungsfamilie die Prospektion von Serokonversion bei Hunderten von Personen pro Tag in einem manuellen Workflow und Tausenden pro Tag in einem automatisierten Schema. Insgesamt bestätigen diese Ergebnisse, dass der “zweikanalige” Ansatz eine angemessene Sensitivität für die Beschreibung mehrerer Epitope parallel für den identischen Assay aufweist und in einem multianalytischen Kontext praktikabel ist. Ein Unterschied in den Empfindlichkeiten gegenüber Kanal 1 und Kanal 2, wie er mit Phycoerythrin- bzw. Super Bright 436-Fluorophoren durchgeführt wird, kann das Design eines spezifischen Experiments rechtfertigen, um sicherzustellen, dass für ein bestimmtes Experiment tragfähige Analyseergebnisse erzielt werden. Das heißt, die Reservierung von Kanal 1 für Epitope oder Analyten mit geringerer Prävalenz kann notwendig sein, um einen dynamischen Bereich des Assays aufrechtzuerhalten, der die beobachteten Werte von Unbekannten enthält. Über diese Überlegung hinaus war das Assay-Design offensichtlich und sollte für Labors mit begrenzten analytischen Fähigkeiten leicht zugänglich sein. Sicherlich sollte diese Überlegung bei der Betrachtung von Interferenzen zwischen Kanal 1 und Kanal 2 abgewogen werden, wie wir in Abbildung 5 festgestellt haben, wobei Interferenzen durch Isotypen mit höherer Häufigkeit irreführende analytische Fehler für Personen mit viel geringerer Häufigkeit verursachen können, wenn sie in einem Zweikanalformat gemessen werden. Dieses Potenzial für Interferenzen in Situationen mit sehr unterschiedlichen Analytkonzentrationen kann eine erhebliche Einschränkung des Ansatzes darstellen, wenn es in der Assay-Designphase nicht richtig gehandhabt wird.
Zusammenfassend wurde eine Methode zur schnellen Messung von Antikörpertitern aus den wichtigsten Immunglobulin-Isotypen, die mit einer Immunantwort auf eine Covid-19-Infektion oder -Impfung assoziiert sind, vorgestellt. Die Anwendung dieses Ansatzes in Längsschnitt zur Beurteilung der Serokonversion kann Erkenntnisse liefern, die besser genutzt werden könnten, um den Krankheitsverlauf zu steuern und / oder zu überwachen oder alternativ zukünftige Covid-19-Auffrischungsimpfprogramme zu leiten.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken dem Rush Biomarker Development Core für die Nutzung ihrer Einrichtungen, dem Rush Biorepository für die Aufnahme von Probanden und die Verarbeitung von Bioproben sowie den Fördernummern SCI16 (J.R.S. und J.A.B.) und 21-00147 (J.R.S. und J.A.B.) der Walder Foundation sowie einer Auszeichnung der Swim Across America Foundation (J.A.B.).
384-well black side polystyrene microtiter plates | Thermo Fisher | 12-565-346 | |
Activation buffer (0.1 M NaH2PO4, pH 6.2) | Prepared in house | ||
Assay buffer (PBS, 1% Bovine Serum Albumin, 0.01% Polysorbate-20) | Prepared in house | ||
Bovine Serum Albumin, heat shock fraction | MilliporeSigma | A-7888-50G | |
Coupling buffer (50 mM MES, pH 5.0) | Prepared in house | ||
COVID 19 M Coronavirus Recombinant Matrix Protein (6xHis tag) | MyBioSource | MBS8574735 | |
Disposable pipette tips | |||
EDC (1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride) | Thermo Fisher | PIA35391 | |
Goat Albumin, Fraction V Powder | MilliporeSigma | A2514-1G | |
IgA Goat anti-Human, R-PE, Polyclonal | Thermo Fisher | OB205009 | |
IgG Goat anti-Human, R-PE, Polyclonal | Thermo Fisher | OB204009 | |
IgG Goat anti-Rabbit, R-PE, Polyclonal | Thermo Fisher | OB403009 | |
IgM Goat anti-Human, R-PE, Polyclonal | Thermo Fisher | OB202009 | |
IgM Mouse anti-Human, SB 436, Clone SA-DA4 | Thermo Fisher | 62999842 | |
Instrument Analyzer | Luminex Corp. | INTELLIFLEX-RUO | |
Low-Bind microcentrifuge tubes (1.5 mL) | Thermo Fisher | 13-698-794 | |
MagPlex-C Microspheres, Region XXX | Luminex Corp. | MC10XXX-01 | |
MES hydrate (2-(N-Morpholino) ethane sulfonic acid hydrate) | MilliporeSigma | M2933 | |
Microplate aluminum sealing tape | Thermo Fisher | 07-200-683 | |
Polysorbate-20 | Thermo Fisher | BP337-500 | |
Quality Biological Inc. PBS, pH 7.2 | Thermo Fisher | 50-751-7328 | |
Quench buffer (PBS, 1% Goat Serum Albumin, 0.01% Polysorbate-20) | Prepared in house | ||
SARS-CoV-2 (2019-nCoV) Nucleocapsid Protein (His tag) | Sino Biologicals | 40588-V08B | |
SARS-CoV-2 (2019-nCoV) Spike Protein (S1 Subunit, His tag) | Sino Biologicals | 40591-V08H | |
SARS-CoV-2 (2019-nCoV) Spike RBD Antibody, Rabbit pAb | Sino Biologicals | 40592-T62 | |
SARS-CoV-2 (2019-nCoV) Nucleocapsid Antibody, Rabbit mAb | Sino Biologicals | 40588-R0004 | |
SARS-CoV-2 (COVID-19) Membrane Antibody (IN), Rabbit pAb | ProSci | 10-516 | |
Sulfo-NHS (N-hydroxysulfosuccinimide) | Thermo Fisher | PIA39269 | |
Wash Buffer (PBS, 0.01% Polysorbate-20) | Prepared in house | ||
Water, LC/MS grade | Thermo Fisher | W-64 |