Μαγνητική ανοσοδοκιμασία

Η μαγνητική ανοσοδοκιμασία (MIA) είναι τύπος διαγνωστικής ανοσοδοκιμασίας που χρησιμοποιεί μαγνητικά σφαιρίδια ως ετικέτες αντί για συμβατικά ένζυμα (ELISA), ραδιοϊσότοπα (RIA) ή φθορίζοντα τμήματα (φθορίζουσες ανοσοδοκιμασίες) για την ανίχνευση ενός συγκεκριμένου αναλύτη. Η MIA περιλαμβάνει την ειδική σύνδεση ενός αντισώματος με το αντιγόνο του, όπου μια μαγνητική ετικέτα είναι συζευγμένη με ένα στοιχείο του ζεύγους. Η παρουσία μαγνητικών σφαιριδίων ανιχνεύεται στη συνέχεια από έναν μαγνητικό αναγνώστη (μαγνητόμετρο), ο οποίος μετρά τη μεταβολή του μαγνητικού πεδίου που προκαλείται από τα σφαιρίδια. Το σήμα που μετράται από το μαγνητόμετρο είναι ανάλογο της συγκέντρωσης του αναλύτη (ιός, τοξίνη, βακτήρια, καρδιακός δείκτης κ.λπ.) στο αρχικό δείγμα.

Μαγνητικές ετικέτες

Τα μαγνητικά σφαιρίδια αποτελούνται από σωματίδια οξειδίου του σιδήρου νανομετρικού μεγέθους ενθυλακωμένα ή κολλημένα μεταξύ τους με πολυμερή. Αυτά τα μαγνητικά σφαιρίδια κυμαίνονται από 35 nm έως 4,5 μm. Τα συστατικά μαγνητικά νανοσωματίδια κυμαίνονται από 5 έως 50 nm και παρουσιάζουν μια μοναδική ιδιότητα που αναφέρεται ως υπερπαραμαγνητισμός παρουσία εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτή η υπερπαραμαγνητική ιδιότητα, που ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Γάλλο Louis Néel, κάτοχο του βραβείου Νόμπελ Φυσικής το 1970, έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για ιατρικές εφαρμογές στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) και σε βιολογικούς διαχωρισμούς, αλλά όχι ακόμη για σήμανση σε εμπορικές διαγνωστικές εφαρμογές. Οι μαγνητικές ετικέτες παρουσιάζουν διάφορα χαρακτηριστικά πολύ καλά προσαρμοσμένα για τέτοιες εφαρμογές:

• Δεν επηρεάζονται από τη χημεία των αντιδραστηρίων ή τη φωτολεύκανση και συνεπώς είναι σταθερές με την πάροδο του χρόνου,
• το μαγνητικό υπόβαθρο σε ένα βιομοριακό δείγμα είναι συνήθως ασήμαντο,
• η θολερότητα του δείγματος ή η χρώση δεν επηρεάζουν τις μαγνητικές ιδιότητες,
• τα μαγνητικά σφαιρίδια μπορούν να χειριστούν εξ αποστάσεως με μαγνητισμό.

Ανίχνευση

Ο μαγνητικός ανοσολογικός έλεγχος (MIA) είναι σε θέση να ανιχνεύσει επιλεγμένα μόρια ή παθογόνους μικροοργανισμούς μέσω της χρήσης ενός αντισώματος με μαγνητική σήμανση. Λειτουργώντας με τρόπο παρόμοιο με αυτόν της ELISA ή της Western Blot, χρησιμοποιείται μια διαδικασία σύνδεσης δύο αντισωμάτων για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των αναλυτών. Η MIA χρησιμοποιεί αντισώματα που επικαλύπτουν ένα μαγνητικό σφαιρίδιο. Αυτά τα αντισώματα συνδέονται άμεσα με το επιθυμητό παθογόνο ή μόριο και το μαγνητικό σήμα που εκπέμπεται από τα δεσμευμένα σφαιρίδια διαβάζεται με τη χρήση μαγνητόμετρου. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα που παρέχει αυτή η τεχνολογία για την ανοσοχρωματισμό είναι ότι μπορεί να διεξαχθεί σε υγρό μέσο, ενώ μέθοδοι όπως η ELISA ή η Western Blotting απαιτούν σταθερό μέσο για την πρόσδεση του επιθυμητού στόχου πριν από την εφαρμογή του δευτερογενούς αντισώματος (όπως η HRP [υπεροξειδάση του ιπποκάμπου]). Δεδομένου ότι η MIA μπορεί να διεξαχθεί σε υγρό μέσο, μπορεί να πραγματοποιηθεί ακριβέστερη μέτρηση των επιθυμητών μορίων στο πρότυπο σύστημα. Δεδομένου ότι δεν απαιτείται απομόνωση για την επίτευξη ποσοτικοποιήσιμων αποτελεσμάτων, οι χρήστες μπορούν να παρακολουθούν τη δραστηριότητα εντός ενός συστήματος. Να αποκτήσουν μια καλύτερη ιδέα για τη συμπεριφορά του στόχου τους.

Οι τρόποι με τους οποίους μπορεί να συμβεί αυτή η ανίχνευση είναι πολύ πολυάριθμοι. Η πιο βασική μορφή ανίχνευσης είναι η διέλευση ενός δείγματος μέσω μιας στήλης βαρύτητας που περιέχει μια μήτρα πολυαιθυλενίου με τον δευτερογενή αντισώματο. Η ένωση-στόχος συνδέεται με το αντίσωμα που περιέχεται στη μήτρα και τυχόν υπολειμματικές ουσίες ξεπλένονται με τη χρήση ενός επιλεγμένου ρυθμιστικού διαλύματος. Στη συνέχεια, τα μαγνητικά αντισώματα περνούν από την ίδια στήλη και μετά από μια περίοδο επώασης, τυχόν μη δεσμευμένα αντισώματα ξεπλένονται με την ίδια μέθοδο όπως και προηγουμένως. Η ένδειξη που λαμβάνεται από τα μαγνητικά σφαιρίδια που είναι συνδεδεμένα με τον στόχο, ο οποίος συλλαμβάνεται από τα αντισώματα στη μεμβράνη, χρησιμοποιείται για τον ποσοτικό προσδιορισμό της ένωσης-στόχου στο διάλυμα.

Επίσης, επειδή η μεθοδολογία είναι τόσο παρόμοια με τη ELISA ή τη Western Blot, τα πειράματα για τη MIA μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να χρησιμοποιούν την ίδια ανίχνευση, εάν ο ερευνητής θέλει να ποσοτικοποιήσει τα δεδομένα του με παρόμοιο τρόπο.

Μαγνητόμετρα

Ένα απλό όργανο μπορεί να ανιχνεύσει την παρουσία και να μετρήσει το συνολικό μαγνητικό σήμα ενός δείγματος, ωστόσο η πρόκληση για την ανάπτυξη μιας αποτελεσματικής MIA είναι να διαχωριστεί το φυσικό μαγνητικό υπόβαθρο (θόρυβος) από τον ασθενή μαγνητικά επισημασμένο στόχο (σήμα). Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες προσεγγίσεις και συσκευές για την επίτευξη ενός σημαντικού λόγου σήματος προς θόρυβο (SNR) για εφαρμογές βιοανίχνευσης:

• γιγαντιαίοι μαγνητοαντιστατικοί αισθητήρες και βαλβίδες σπιν
• πιεζοαντιστατικοί ακροδέκτες
• επαγωγικοί αισθητήρες
• υπεραγώγιμες συσκευές κβαντικής παρεμβολής (SQUID)
• ανισότροποι μαγνητοαντιστατικοί δακτύλιοι
• και μικροσκοπικοί αισθητήρες Hall.

Όμως, η βελτίωση του SNR απαιτεί συχνά ένα πολύπλοκο όργανο για να παρέχει επαναλαμβανόμενη σάρωση και εξαγωγή μέσω της επεξεργασίας δεδομένων ή ακριβή ευθυγράμμιση του στόχου και του αισθητήρα μικροσκοπικού και ταιριαστού μεγέθους. Πέραν αυτής της απαίτησης, η MIA που εκμεταλλεύεται τις μη γραμμικές μαγνητικές ιδιότητες των μαγνητικών ετικετών μπορεί να χρησιμοποιήσει αποτελεσματικά την εγγενή ικανότητα ενός μαγνητικού πεδίου να διέρχεται μέσα από πλαστικό, νερό, νιτροκυτταρίνη και άλλα υλικά, επιτρέποντας έτσι πραγματικές ογκομετρικές μετρήσεις σε διάφορες μορφές ανοσοδοκιμών. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους που μετρούν την επιδεκτικότητα υπερπαραμαγνητικών υλικών, μια MIA που βασίζεται στη μη γραμμική μαγνήτιση εξαλείφει την επίδραση των γραμμικών δια- ή παραμαγνητικών υλικών, όπως η μήτρα δείγματος, τα αναλώσιμα πλαστικά ή/και η νιτροκυτταρίνη. Παρόλο που ο εγγενής μαγνητισμός αυτών των υλικών είναι πολύ ασθενής, με τυπικές τιμές επιδεκτικότητας -10-5 (dia) ή +10-3 (para), όταν κάποιος ερευνά πολύ μικρές ποσότητες υπερπαραμαγνητικών υλικών, όπως νανογραμμάρια ανά δοκιμή, το σήμα υποβάθρου που παράγεται από βοηθητικά υλικά δεν μπορεί να αγνοηθεί. Στη MIA που βασίζεται στις μη γραμμικές μαγνητικές ιδιότητες των μαγνητικών ετικετών τα σφαιρίδια εκτίθενται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο σε δύο συχνότητες, f1 και f2. Με την παρουσία μη γραμμικών υλικών, όπως οι υπερπαραμαγνητικές ετικέτες, ένα σήμα μπορεί να καταγραφεί σε συνδυαστικές συχνότητες, για παράδειγμα, σε f = f1 ± 2×f2. Το σήμα αυτό είναι ακριβώς ανάλογο με την ποσότητα του μαγνητικού υλικού στο εσωτερικό του πηνίου ανάγνωσης.

Η τεχνολογία αυτή καθιστά δυνατή τη μαγνητική ανοσοδοκιμασία σε διάφορες μορφές, όπως:

• συμβατική δοκιμή πλευρικής ροής με αντικατάσταση των χρυσών ετικετών με μαγνητικές ετικέτες
• δοκιμές κάθετης ροής που επιτρέπουν την εξέταση σπάνιων αναλυτών (όπως βακτήρια) σε δείγματα μεγάλου όγκου
• μικρορευστολογικές εφαρμογές και βιοτσίπ

Περιγράφηκε επίσης για in vivo εφαρμογές και για πολυπαραμετρικές δοκιμές.

Χρήσεις

Η MIA είναι μια ευέλικτη τεχνική που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μια ευρεία ποικιλία πρακτικών.

Επί του παρόντος έχει χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ιών στα φυτά για τη σύλληψη παθογόνων που κανονικά θα κατέστρεφαν τις καλλιέργειες, όπως ο ιός του φυλλοβόλου της αμπέλου, ο ιός του φυλλοβόλου της αμπέλου και ο ιός Χ της πατάτας. Οι προσαρμογές της περιλαμβάνουν πλέον φορητές συσκευές που επιτρέπουν στον χρήστη να συλλέγει ευαίσθητα δεδομένα στο πεδίο.

Το MIA μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση θεραπευτικών φαρμάκων. Μια αναφορά περίπτωσης ενός 53χρονου ασθενούς με μεταμόσχευση νεφρού περιγράφει λεπτομερώς πώς οι γιατροί μπόρεσαν να μεταβάλουν τις ποσότητες του θεραπευτικού φαρμάκου.