overview on protein based biosensors

91
Proteine per la biosensoristica Riccardo Castagna LATEMAR Unit - Politecnico di Torino Italy

Upload: guest794920

Post on 02-Jun-2015

2.787 views

Category:

Technology


11 download

TRANSCRIPT

Page 1: Overview on protein based biosensors

Proteine per la biosensoristica

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

BIOSENSORIMETODOLOGIE BIOCHIMICHE

PROTEINE

Visione di insieme dal DNA alle proteine

Struttura

Funzione biologica- strutturale

- trasporto- energeticaenzimatica

Anticorpi - Antigeni

Proteine gt Outline

Trascrizione

DNA

DeossiribosioNucleotidi (AGCT)Doppio filamento

RNA

RibosioNucleotidi (AGCU)

Singolo filamento

Trascrizione

DNA RNA

messaggero (mRNA)transfer (tRNA)ribosomale (rRNA)small interference (siRNA)micro (miRNA) hellip

RNA Polimerasi

Traduzione (1)

RNA messaggero (mRNA) gt SPLICING

Traduzione (2)

RNA messaggero (mRNA) gt dalle triplette agli AMINOACIDI

CODICE GENETICO degenere

bull Ogni tripletta (codone) determina un unico AAbull Griglia di letturabull 4 nucleotidi gt 43 possibili combinazionibull In natura esistono 20 aminoacidi

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 2: Overview on protein based biosensors

BIOSENSORIMETODOLOGIE BIOCHIMICHE

PROTEINE

Visione di insieme dal DNA alle proteine

Struttura

Funzione biologica- strutturale

- trasporto- energeticaenzimatica

Anticorpi - Antigeni

Proteine gt Outline

Trascrizione

DNA

DeossiribosioNucleotidi (AGCT)Doppio filamento

RNA

RibosioNucleotidi (AGCU)

Singolo filamento

Trascrizione

DNA RNA

messaggero (mRNA)transfer (tRNA)ribosomale (rRNA)small interference (siRNA)micro (miRNA) hellip

RNA Polimerasi

Traduzione (1)

RNA messaggero (mRNA) gt SPLICING

Traduzione (2)

RNA messaggero (mRNA) gt dalle triplette agli AMINOACIDI

CODICE GENETICO degenere

bull Ogni tripletta (codone) determina un unico AAbull Griglia di letturabull 4 nucleotidi gt 43 possibili combinazionibull In natura esistono 20 aminoacidi

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 3: Overview on protein based biosensors

Visione di insieme dal DNA alle proteine

Struttura

Funzione biologica- strutturale

- trasporto- energeticaenzimatica

Anticorpi - Antigeni

Proteine gt Outline

Trascrizione

DNA

DeossiribosioNucleotidi (AGCT)Doppio filamento

RNA

RibosioNucleotidi (AGCU)

Singolo filamento

Trascrizione

DNA RNA

messaggero (mRNA)transfer (tRNA)ribosomale (rRNA)small interference (siRNA)micro (miRNA) hellip

RNA Polimerasi

Traduzione (1)

RNA messaggero (mRNA) gt SPLICING

Traduzione (2)

RNA messaggero (mRNA) gt dalle triplette agli AMINOACIDI

CODICE GENETICO degenere

bull Ogni tripletta (codone) determina un unico AAbull Griglia di letturabull 4 nucleotidi gt 43 possibili combinazionibull In natura esistono 20 aminoacidi

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 4: Overview on protein based biosensors

Trascrizione

DNA

DeossiribosioNucleotidi (AGCT)Doppio filamento

RNA

RibosioNucleotidi (AGCU)

Singolo filamento

Trascrizione

DNA RNA

messaggero (mRNA)transfer (tRNA)ribosomale (rRNA)small interference (siRNA)micro (miRNA) hellip

RNA Polimerasi

Traduzione (1)

RNA messaggero (mRNA) gt SPLICING

Traduzione (2)

RNA messaggero (mRNA) gt dalle triplette agli AMINOACIDI

CODICE GENETICO degenere

bull Ogni tripletta (codone) determina un unico AAbull Griglia di letturabull 4 nucleotidi gt 43 possibili combinazionibull In natura esistono 20 aminoacidi

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 5: Overview on protein based biosensors

Trascrizione

DNA RNA

messaggero (mRNA)transfer (tRNA)ribosomale (rRNA)small interference (siRNA)micro (miRNA) hellip

RNA Polimerasi

Traduzione (1)

RNA messaggero (mRNA) gt SPLICING

Traduzione (2)

RNA messaggero (mRNA) gt dalle triplette agli AMINOACIDI

CODICE GENETICO degenere

bull Ogni tripletta (codone) determina un unico AAbull Griglia di letturabull 4 nucleotidi gt 43 possibili combinazionibull In natura esistono 20 aminoacidi

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 6: Overview on protein based biosensors

Traduzione (1)

RNA messaggero (mRNA) gt SPLICING

Traduzione (2)

RNA messaggero (mRNA) gt dalle triplette agli AMINOACIDI

CODICE GENETICO degenere

bull Ogni tripletta (codone) determina un unico AAbull Griglia di letturabull 4 nucleotidi gt 43 possibili combinazionibull In natura esistono 20 aminoacidi

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 7: Overview on protein based biosensors

Traduzione (2)

RNA messaggero (mRNA) gt dalle triplette agli AMINOACIDI

CODICE GENETICO degenere

bull Ogni tripletta (codone) determina un unico AAbull Griglia di letturabull 4 nucleotidi gt 43 possibili combinazionibull In natura esistono 20 aminoacidi

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 8: Overview on protein based biosensors

Traduzione (3)

RNA transfer (tRNA)

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 9: Overview on protein based biosensors

Traduzione (4)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 10: Overview on protein based biosensors

Traduzione (5)

RIBOSOMI e RNA ribosomale (rRNA)

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 11: Overview on protein based biosensors

Traduzione (6)

AMINOACIDI

Sostanze organiche bifunzionali costituite cioegrave dalla funzione amminica (-NH2) e dalla funzione carbossilica (-COOH)

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 12: Overview on protein based biosensors

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFILICI

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 13: Overview on protein based biosensors

Traduzione (7)

AMINOACIDI IDROFOBICI

AMINOACIDI SPECIALI

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 14: Overview on protein based biosensors

Traduzione (8)

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 15: Overview on protein based biosensors

Traduzione (6)

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 16: Overview on protein based biosensors

Traduzione

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 17: Overview on protein based biosensors

Struttura (1)

STRUTTURA SECONDARIAConformazione spaziale delle catene

Foglietti BetaAlfa Eliche

STRUTTURA PRIMARIASequenza lineare dei residui aminoacidici

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 18: Overview on protein based biosensors

Struttura (2)

STRUTTURA TERZIARIA

Conformazione tridimensionale assunta dallrsquointerasequenza di residui aminoacidici Lrsquoambiente e la natura della struttura primaria (composizione aminoacidica) influenzano il ripiegamento delle proteine

Tipi di Legami intramolecolare

bull Legami ad Idrogenobull Ponti Disolfuro

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 19: Overview on protein based biosensors

Struttura (2)

STRUTTURA QUATERNARIA

Conformazione tridimensionale assunta dalla proteina dopo lrsquoassociazione di due o piursquo unitarsquo polipeptidiche unite tra loro da legami deboli

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 20: Overview on protein based biosensors

Struttura (3)

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 21: Overview on protein based biosensors

Struttura (3)

ARCHITETTURA DELLE PROTEINE

In base alla forma si possono classificare le proteine in due grandi classi

1) Proteine fibrose bull strutture lineari semplici e regolaribull insolubili in acqua o in soluzioni saline diluite

2) Proteine globulari bull forma approssimativamente sfericabull molto solubile in acqua

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 22: Overview on protein based biosensors

Proprietarsquo (1)

Le proprietagrave delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti gli amminoacidi sono elettroliti anfoteri possono essere sottoposte ad elettroforesi sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall (fenomeno di dispersione della luce dovuto alla presenza di particelle di dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze donda della luce incidente)

Il punto isoelettrico o PI di una proteina egrave rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione Tra le tante quella che fornisce i risultati piugrave precisi egrave senza dubbio la spettrometria di massa

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 23: Overview on protein based biosensors

Funzione (1)

Di fondamentale importanza per tutti gli essere viventi le proteine svolgono numesore funzioni

bull Strutturale

bull Immunitaria

bull Trasporto (di ossigeno metalli lipidi di membrana)

bull Energetica - Enzimatica

bull Identificazione dellidentitagrave genetica ormonale enzimatica contrattile

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 24: Overview on protein based biosensors

Funzione (2)

STRUTTURALE

Forniscono supporto meccanico e baseper i movimenti a cellule e tessuti

Esempibull collagenebull elastinabull actinabull tubulinabull cheratina

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 25: Overview on protein based biosensors

Funzione (3)

TRASPORTO

Generano movimenti nelle cellule e nei tessutiPossono trasportare singole molecole (ossigeno anidride carbonica) o vescicole contenenti diverse molecole

Esempibull miosinabull chinesinabull dineina

Le proteine motrici si muovono su ldquorotaierdquo formate da proteine strutturali

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 26: Overview on protein based biosensors

Funzione (4)

ENERGETICA ndash ENZIMATICA

bull Gli enzimi sono i catalizzatori biologicibull Permettono di fare avvenire le reazioni chimiche nei sistemi biologicibull Sono in grado di fare avvenire le reazioni velocemente ebull Hanno un alta efficienzabull Sono specifici per pochissimi tipi di molecole (substrati)

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 27: Overview on protein based biosensors

Funzione (5)

La velocitagrave di una reazione

chimica egrave indipendente

dal DG ma egrave determinata

dallrsquoampiezza della barriera

dellrsquoenergia di attivazione

I catalizzatori aumentano la

velocitagrave di reazione

abbassando questa barriera

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 28: Overview on protein based biosensors

Funzione (6)

Nel sito attivo i substrati possono essere orientati correttamente o modificati chimicamente Ne risulta che il substrato raggiunge rapidamente il proprio stato di transizione e quindi la reazione procede

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 29: Overview on protein based biosensors

Anticorpi (1)

CATENA LEGGERAFrammento Fab

(antibody binding)

CATENA PESANTEFrammento Fc(crystallizable)

Regione Cerniera

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 30: Overview on protein based biosensors

Anticorpi (2)

bull Quando sono introdotti in un ospite estraneogli antigeni inducono la formazione di anticorpi

bull Interazione antigeni-anticorpi Gli anticorpi egli antigeni in soluzione mostrano un comportamento di affinitagrave e legamento (concetto della chiave e della serratura)

bull Il legamento tra anticorpi e antigeni porta allaeliminazione dellimmunogeno

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 31: Overview on protein based biosensors

Nella cellula

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 32: Overview on protein based biosensors

Saggi immunologici- definizione- potenzialitarsquo e limitazioni- saggi competitivi- saggi NON competitivi- saggi omogenei vs eterogenei

Saggi RadioImmunologici

ImmunoFluorescenza

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)- EMIT- CEDIA- ELISA

Metodologie biochimiche gt Outline

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 33: Overview on protein based biosensors

Saggi Immunologici (1)

I saggi immunologici sono un gruppo di tecniche analitiche basate su specifiche interazioni anticorpiantigeni che producono un segnale misurabile che puograve essere riferito alla concentrazione di un composto in soluzione1048708

1048708 Gli anticorpi possono essere monoclonali o policlonali e possono essere diretti verso molecole molto specifiche o verso una intera classe di molecole

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 34: Overview on protein based biosensors

Saggi Immunologici (2)

POTENZIALITArsquo

bull Applicazione in tutte le aree del laboratorio

bull Estrema specificitarsquo del riconoscimento biologico

bull Buona sensibilitagrave larga gamma di prove

bull Facilmente automatizzato con applicazioni su molte piattaforme di strumentibull In molti casi non cegrave bisogno di preparazione del campione

bull Efficiente

bull Economico

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 35: Overview on protein based biosensors

Saggi Immunologici (3)

LIMITI

bull1048708 A seconda del reagente potrebbe avere un intervallo dinamico limitato

bull1048708 Reazione crociata e specificitagrave

bull1048708 Interferenze da composti nonstrutturalmente relazionati

bull1048708 Interpretazione ed elaborazione dei risultati

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 36: Overview on protein based biosensors

Saggi Immunologici (4)

SAGGI IMMUNOLOGICI COMPETITIVI

Basati sulla competizione tra la molecola target (analita) nel campione e una molecola derivativa marcata in un reagente per una quantitagrave limitata dianticorpi

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 37: Overview on protein based biosensors

Saggi Immunologici (5)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Nei metodi non competitivi la mistura direazione comprende un eccesso di anticorpimarcati in modo tale che tutti gli analiti vengano riconosciuti e legatiLa quantitagrave di complesso antigeni-anticorpi egravequindi misurato per determinare la quantitagrave difarmaco presente nel campione

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 38: Overview on protein based biosensors

Saggi Immunologici (6)

SAGGI IMMUNOLOGICI NON COMPETITIVI

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 39: Overview on protein based biosensors

Saggi Immunologici (7)

SAGGI IMMUNOLOGICI ETEROGENEI vs OMOGENEI

Dopo che la reazione ha avuto luogo i saggiimmunologici eterogenei richiedono laseparazione dei componenti legati e nonlegati (pe ELISA)

Nei saggi immunologici omogenei la reazionelegante egrave misurata sul posto senza laseparazione dei componenti della reazione

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 40: Overview on protein based biosensors

Saggi RadioImmunologici (RIA) (1)

RIA usa un marcatoreradioattivo (normalmente

125I 3H o 14C) cheemette radiazioni che

possono essere misurateda un contatore gamma

o beta1048708

Negli anni passati latendenza egrave stata di

allontanarsi dal RIA emuoversi verso tecniche

non isotopiche

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 41: Overview on protein based biosensors

ImmunoFluorescenza (1)

Lrsquoimmunofluorescenza egrave una delle tecniche piugrave usate tra le reazioni sierologiche di fondamentale importanza in microbiologia per rilevare in un certo campione la presenza di specifici Antigeni od Anticorpi ignoti la cui controparte nota (quella a disposizione del ricercatore o laboratorista) egrave variamente legata ad un marcatore

Il marcatore egrave un fluorocromo ovvero un colorante che assorbendo onde ad alta frequenza (UV) emette nel visibile

Il fluorocromo piugrave impiegato egrave lrsquoisotiocianato di fluorescina (o semplicemente fluorescina) che assorbendo raggi ultravioletti dunque con lrsquoausilio di un microscopio illuminato da una fonte adatta emette luce verde

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 42: Overview on protein based biosensors

ImmunoFluorescenza (2)

ImmunoFluorescenza DIRETTA

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 43: Overview on protein based biosensors

ImmunoFluorescenza (3)

ImmunoFluorescenza NON DIRETTA

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 44: Overview on protein based biosensors

Saggi Immuno Enzimatici (EIA)

Per fornire un segnale misurabile i saggi immunoenzimatici utilizzano marcatori ad enzimi quali il glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) egalattosidasi-B

Le reazioni sono osservate per via fotometrica come cambiamento di assorbimento formazione di substrato colorato hellip

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 45: Overview on protein based biosensors

Saggi Immuno Enzimatici (1)

Lrsquoanalita nel campioneed lrsquoanalita marcatocon G6PD competonoper siti peptidilici dello specifico anticorpo

Il legame inibiscelattivitagrave dellenzimamentre enzimi liberirestano liberi diinteragire con ilsubstrato

SAGGI EMIT

Lattivitagraveassorbimentodellenzima egrave direttamenteproporzionale allaconcentrazione di farmaco

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 46: Overview on protein based biosensors

Saggi Immuno Enzimatici (2)

SAGGI CEDIA

Frammenti di enzimadellenzima galattosidasi-B realizzati in laboratorio siriuniscono spontaneamente in soluzione per formareun enzima attivo

Il farmaco del campionecompete per sitipeptidilici di anticorpi

La concentrazione del farmaco egrave direttamenteproporzionale allattivitagrave dellenzima

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 47: Overview on protein based biosensors

Saggi Immuno Enzimatici (3)

SAGGI ELISA

ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) un metodo di analisi immunologica usato in biochimica per rilevare la presenza di un dato Antigene caratteristico di un organismo patogeno in un campione che ne egrave probabilmente affetto

Trova ampio uso anche per misurare la concentrazione di Anticorpi nel plasma snaguigno come ad esempio nei test per HIV

Varianti del test ELISA

bull ELISA COMPETITIVObull ELISA NON COMPETITIVO

- metodo diretto (DAS-ELISA)- metodo indiretto

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 48: Overview on protein based biosensors

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO DIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 49: Overview on protein based biosensors

Saggi Immuno Enzimatici (4)

ELISA NON COMPETITIVO INDIRETTO

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 50: Overview on protein based biosensors

Saggi Immuno Enzimatici (5)

ELISA COMPETITIVO

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 51: Overview on protein based biosensors

Biosensori - definizione- settori di applicazione- elementi sensibili- principi di trasduzione

Esempi di Biosensori

Funzionalizzazione di superficie

Caso di studio Biosensori a base MicroCantilever

Biosensori gt Outline

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 52: Overview on protein based biosensors

Biosensori - DEFINIZIONE

Definizione IUPAC un biosensore egrave un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive o tessuti o cellule (o parti di essi) quali superfici sensibili di un biotrasduttore che trasformi linformazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in analisi in un segnale utile analiticamente Linterazione specifica fra (macro)molecole (bioriconoscimento) egrave alla base del corretto funzionamento di un biosensore

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 53: Overview on protein based biosensors

Biosensori - DEFINIZIONE

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 54: Overview on protein based biosensors

Biosensori

Vantaggi (rispetto ai sensori chimici)

bull unrsquoalta selettivitagrave frutto di miliardi di anni di evoluzione naturale basata sul riconoscimento di forma specifica

bull unrsquoalta sensibilitagrave fino alle parti per miliardo (ppb)

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 55: Overview on protein based biosensors

Biosensori

Svantaggi

bull Perdita delle funzionalitagrave nel tempo

bull Il tessuto biologico egrave fortemente influenzato dalla temperaturae dal pH (forza ionica parti acidebasiche)

bull La forza ionica modifica il sito recettore

bull Il tempo di vita del sensore egrave breve

bull Il tempo di risposta egrave determinato da meccanismi di trasporto e di diffusione (lento)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 56: Overview on protein based biosensors

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 57: Overview on protein based biosensors

Biosensori ndash ELEMENTI BIO-SENSIBILI

Vi sono due classidi processi bioricognitivi che si differenziano per il

metodo generale in cui sono avvertiti dal trasduttore

bullRiconoscimento bioaffine il trasduttore percepisce il legame fra

recettore e ligando per dimensione forma

(es reazioni anticorpo-antigene)

bullRiconoscimento biometabolico il trasduttore percepisce le alterazioni

chimiche dovute alla reazione come cambi della concentrazione dei prodotti e

dei reagenti o come calore specifico di reazione (es reazioni enzima-

substrato)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 58: Overview on protein based biosensors

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Acusticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Spettrobull Velocitagrave dellrsquoonda

Biologicibull Biomassa (tipo concentrazione)

Chimicibull Componenti concentrazione

Magneticibull Ampiezza e fase campo magnbull Conducibilitagravebull Permittivitagrave

Otticibull Ampiezza e fase di unrsquoondabull Velocitagrave dellrsquoondabull Indice di rifrazionebull Emissivitagrave riflettivitagrave

Meccanicibull Posizione (lineare angolare)bull Accelerazionebull Forzabull Sforzotensione (Stress) pressionebull Deformazione (Strain)bull Massa densitagravebull Momento torsionebull Velocitagrave di flusso rate di massabull Forma ruvidezzabull Rigiditagrave cedevolezzabull Viscositagravebull Cristallinitagrave struttura

Radiazionebull Tipobull Energiabull Intensitagrave

Termicibull Temperaturabull Flussobull Calore specificobull Conducibilitagrave termica

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 59: Overview on protein based biosensors

Biosensori - APPLICAZIONI

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 60: Overview on protein based biosensors

Biosensori - SETTORI DI APPLICAZIONE

MicrobiologyNanotechnology

Microelectronic processing

Clinico Ambientale Altri Difesa Alimentare

Pu

bb

lica

zio

ni (

)

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 61: Overview on protein based biosensors

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

DIAGNOSTICA BIOMEDICA

1048708 Doctors increasingly rely on testing1048708 Needs rapid cheap and ldquolow techrdquo1048708 Done by technicians or patients1048708 Some needs for in-vivo operation with feedback

Glucose-based on glucose oxidaseCholesterol - based on cholesterol oxidaseAntigen-antibody sensors - toxic substances pathogenic bacteriaSmall molecules and ions in living things H+ K+ Na+ NO CO2 H2O2DNA hybridization sequencing mutants and damage

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 62: Overview on protein based biosensors

Biosensori ndash CARATTERISTICHE

1 LINEARITArsquo Maximum linear value of the sensorcalibration curve Linearity of the sensor must be high for the detection of high substrate concentration

2 SENSIBILITArsquo The value of the electrode response per substrate concentration

3 SELETTIVITArsquo Interference of chemicals must beminimised for obtaining the correct result

4 TEMPO DI RISPOSTA The necessary time for having 95 of the response

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 63: Overview on protein based biosensors

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

1) Intrappolamento (separazione) con una membrana semipermeabile

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 64: Overview on protein based biosensors

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

2) Intrappolamento tramite matrice

La specie (B) viene intrappolata in una matrice solida (gel) Questa tecnica comporta un tempo di risposta lento per il trasduttore per via dellrsquointerazione con la matrice ed un tempo di vita utile di 34 settimane

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 65: Overview on protein based biosensors

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

3) Intrappolamento per adsorbimento

Si basa sullrsquointerazione fra la specie attiva (B) ed il trasduttore mediante forze di Van der Waals legami idrogeno e legami ionici Essendo queste interazioni deboli egrave difficile quantificare la risposta e il tempo di vita utile egrave di solo un giorno Inoltre il sistema risulta sensibile a gli effetti della temperatura del pH e della concentrazione ionica

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 66: Overview on protein based biosensors

Biosensori - FUNZIONALIZZAZIONE

4) Intrappolamento mediante legami covalenti

Si basa su un legame chimico molto forte e diretto col trasduttore che gli donna una lunga durata nel tempo (vita utile314 mesi) Ovviamente il legame modifica la struttura della specie attiva e la sua funzionalitagrave

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 67: Overview on protein based biosensors

Biosensori ndash PRINCIPI DI RILEVAMENTO

Rilevamento - esempi

Otticobull Surface Plasmon Resonance (SPR)

Elettrochimicobull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Meccanicobull Misura frequenza eo stress superficiale (MC)

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 68: Overview on protein based biosensors

Biosensori ndash SPR

Surface Plasmon Resonance (SPR)

PrincipioPrincipio

Alla base vi ersquo il Alla base vi ersquo il riconoscimento specifico tra riconoscimento specifico tra due macromolecole (es Ab-due macromolecole (es Ab-

Ag) Ag) Il legame tra le due molecole Il legame tra le due molecole

provoca un cambiamento provoca un cambiamento dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzo su cui ersquo legato mezzo su cui ersquo legato lrsquoelemento sensibilelrsquoelemento sensibile

Questo cambiamento ersquo Questo cambiamento ersquo valutabile dalla variazione valutabile dalla variazione dellrsquoindice di rifrazione del dellrsquoindice di rifrazione del

mezzomezzo

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 69: Overview on protein based biosensors

Biosensori

Elettrochimico

BIOSENSING Basato sullrsquouso di enzimi specifici per lrsquoanalita

di interesse

TRASDUTTOREbull Sensori Potenziometricibull Sensori Amperometricibull Sensori Impedimetrici

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 70: Overview on protein based biosensors

Biosensori

Elettrochimico

substrato prodotti

ENZIMI

Voltaggio Misura della correntegt proporzionale alla concentrazione del substrato

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 71: Overview on protein based biosensors

Biosensori

Biosensori Elettrochimici per quantificazione Glucosio

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 72: Overview on protein based biosensors

Detection of Angiogenic Growth Factor by

Microcantilever Biosensors

Riccardo CastagnaLATEMAR Unit - Politecnico di Torino

Italy

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 73: Overview on protein based biosensors

Biosensori - Cantilever

bull Modello biologico - target analyte

bull Trasduttore - teoria

bull Experimental set up

bull Misure preliminari (sensibilitarsquo e selettivitarsquo)

bull Ripetibilitarsquo

bull Versatilitarsquo

bull Implementazioni

OBIETTIVOPRESUPPOSTI

PROOF OF PRINCIPLE

ldquoREAL STRATEGYrdquo

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 74: Overview on protein based biosensors

Biological Background

Angiogenesis is defined as the formation of new blood vessels by sprouting of endothelial cells (ECs) from pre-existing vessels or by intravascular subdivision coordinated by several classes of growth factors acting through cognate tyrosine kinase receptors Angiogenesis is a critical component of several human diseases including cancer diabetic microvascular and rheumatic diseases psoriasis hemangioblastoma and ischemia (Folkman Nat Rev Drug Discov 2007)

Spannuth WA et al (2008) Angiogenesis as a strategic target for ovarian cancer therapy Nat Clin Pract Oncol

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 75: Overview on protein based biosensors

Biological Background

Angiogenesis is a complex multistep process regulated by several different Growth Factors and their associated Tyrosine Kinase Receptors (TKRs) Among these vascular endothelial (VEGF-A165) and angiopoietin-1 (ANG-1) associated with activated TKR have been recognized as the system at the heart of network which governs differentiation survival proliferation and migration of EC

Development of cantilever biosensors to measure in a quantitative and specific way proteins stimulated in angiopoietin-1 system

In the same cell type the same receptor induces different responces To explain this phenomenon one hypotesis is based on quantitative differences in protein recruited downstream the receptor

The low concentration marker released during such kind of phenomena is not detectable with conventional biological analysis techniques So there is a demand of quantitative data

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 76: Overview on protein based biosensors

MC beam dynamics in vacuum

To calculate the MC resonance frequency one has to solve the general eq of motion

2 4

2 4

( ) ( ) ( )ext

v x t v x t v x tA c EI F

t t xr para para para

+ + =para para para

Mass adsorption effect

n

n

k

mw =

Q factor

aring=i itot QQ

11Different contributionsQi ambient TED clamping internal friction surface etchellip

22

11

n

ndn

Q-=ww

3

res

res dB

fQ

f -

=D

k constantand ldquosmallrdquo dm

wwpara

-=para

2m

mwwD

-D

2m

m

c

mQ nnw=

Dmmin mnQ

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 77: Overview on protein based biosensors

Experimental set-up

bullTemperature stability 005 degCbull Min pressure 1E-05 Torrbull Piezo-electrical actuationbull Optical lever read-out PSD lock-in bull The measurement is controlled in a Labviewreg environment

Reproducibility and repeatability in vacuum lt 02Hz (1st mode)

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 78: Overview on protein based biosensors

Experimental procedure

bull Thermal oxidation

bull Silanization (APTES)

bull Glutaraldehyde

bull Protein AG

bull AntibodyReceptor

bull Antigen (ANG 1)

SURFACE FUNCTIONALIZATION

SENSINGPROTEIN BINDING

TARGET ANALYTE

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 79: Overview on protein based biosensors

Surface Activation

Condensation T=60degC 1 vv in anhydrous

toluene t=7rsquo

Dry 1100degC t = 3 h thickness 190 nm then dipping in

ldquopiranhardquo solution to obtain OH groups on the surface

Stabilization of the imine (Shiffrsquos base) formed through sodium

cyanoborohydride buffer (NaBH3CN) RT t = 45rsquo

Sithermal

oxidation

SiSiO2Si

silanization

(APTES) (CH2)3NH2 +

NaBH3CN

Si (CH2)3N=CH-(CH2)3-CHO Si (CH2)3NH-CH2-(CH2)3-CHO

Glutaraldehyde (1 vv pH = 85 RT t=15rsquo)

OCH-(CH2)3-CHO

Reduced specie

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 80: Overview on protein based biosensors

Protein binding

Antibody (Ab)Antigen (Ag)

+ CHO(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

Protein A or G

NH2

+NH - - CHO- CH2- (CH2)3 -

bull 30rsquo in pure PBS RT

bull Incubation with 5 μg of PtA diluted in 500 μl of PBS (2h RT)

bull Rinsing in pure BPS (t=30rsquo RT) and DI water (15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 50 μg of Ab diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (t=30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

bull Incubation with 500 ng of Ag diluted in 250 μl of PBS (t=1 h RT)

bull Rinsing in pure PBS (30rsquo RT) and DI water (t=15rsquo RT) to remove salts

Pt G

Pt G Pt G

ANG1

ANG1

(CH2)3NH - - CH=N- CH2 - -

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 81: Overview on protein based biosensors

ldquoProof of conceptrdquo and ldquorealrdquo strategies

ldquoReal systemrdquo

Probe Mouse Anti Ang-1 (150 kDa) (Monoclonal antibody)

Target Ang-1 (56 kDa)

An approach to be used for different AbAg

ldquoProofrdquo system

ProbeTie2-Fc (165 kDa) (fusion protein)Target angiopoietin human protein (56 kDa)

Very high affinity and specificity for receptor-ligand binding

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 82: Overview on protein based biosensors

Ligand mass as low as some tens of picograms were detected

Using different cantilever geometries and operation modes it is possible to detect different quantity of adsorbed masses always keeping a similar surface density of the species Thus a good reproducibility of all experimental steps is

achieved

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (1)

M1 600x100x2 μm3

Frequency shift for each experimental step

wwD

-D

2m

m

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 83: Overview on protein based biosensors

Frequency shift of control sample lower than experimental error estimation

In order to test the system specificity cantilever has been dipped in solution without the specific binding molecule

only non-specific binding can be present in such experiment

M1 800x100x2 μm3

ldquoProof of conceptrdquo experimental results (2)

Buffer effect

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 84: Overview on protein based biosensors

Frequency shift for each experimental stepM1 670x70x19 μm3 M2 670x70x19 μm3

Anti-ANG-1 Surf Density 2x1012 moleculescm2

ANG-1 Surf Density 14x1012 moleculescm2

[Gupta et al PNAS 2006 12x1012 moleccm2 ]

m1 m2 15

ldquoReal strategyrdquo experimental results (1)

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 85: Overview on protein based biosensors

ldquoReal strategyrdquo experimental results (2)

Selectivity testsVEGF-A165 is chosen as a false antigen to check the chemical and physical interaction of the cantilever-based platform with different antigens

M1 470x50x231 μm3 M1 470x60x231 μm3

Nearly perfect selectivity

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 86: Overview on protein based biosensors

Liquid measurement advantages bull Physiological structure and function of moleculesbull Real-time and kinetics measurementbull Reduction of salt residuals

Integration with LOC instead of fluid cell advantagesreduction reagent cost efficient portabilityrestricted dimension tolerance bench production

Liquid Measurements LOC integration

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 87: Overview on protein based biosensors

extff Fxtxv

EIttxv

ccttxv

mA =para

para+

parapara

++para

para+ 4

4

2

2 )()()(

)()(r

EB Eq in conjunction with NS Eq under the hp of fluid incompressibility and smalll deflections (convective term neglected)

[Maali JAP 2005] [Sader JAP 98]

wnf =wn 1+

m f

mn

-

1

2

Qnf =

(mn +m f )

c fwnf

is the added mass per unit length

fc is damping coefficient per unit length fm

Liquid Measurements MC beam dynamics

From theoretical model and FE analysis SOI device Layer 7μm Aspect ratio 15-3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Q factor

m1 m2 m3 m4 m5Vibrational Modes

Vibrational modes vs Processes

PIREXSU8PDMS

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 88: Overview on protein based biosensors

Liquid Measurements Preliminary results

Liquid priliminary measurements are performed in PBS

Real time detection

4 min after the injection of Ang 1 (Ag) the frequency begin to decreseThe binding reaction is very fast (less than 5 min) accordingly to letterature results

(Carl A K Borrebaeck BioTechnology 1992)

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 89: Overview on protein based biosensors

Conclusions

Two biodesigns for ANG-1 detection and quantification by MC dynamic mass sensor operating in vacuum Data analysis demonstrate high sensitivity measure specificity and reproducibility

Preliminary results of MC integrated on LOC platform for real-time monitoring of GF levels

Future Works Automatic and continuous measurement (data storage and fit)

Development of an alternative actuation

Kinetics

Q-enhancement circuit

In plasma measurements

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 90: Overview on protein based biosensors

IP1 IP2 70 140 210 280

Depletion of ImmunoGlobulin G (Ig G) Component

P PtG1 PtG2 PtG3 IP1 IP2 70 140 210

Depletion of Albumin and ImmunoGlobulin DO NOT remove putative Target (ANG1)

75 KDa

50 KDa

Depletion of Albumin Component (DAC)

MW Plasma1X 2X 1 2 3

[ Colantonio Proteomics 2005 ]

IP1 IP2 70 140 210 280

PLASMA depleted + ANG1

SAMPLE PREPARATION clarification of PLASMA (Murin Model)

Albumin (ug)

PLASMA + ANG1

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

rh - ANG1 (ng)

Future works measurements in plasma

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91
Page 91: Overview on protein based biosensors

Acknowledgments

L Napione F Bussolino

Institute for Cancer Research and Treatment

Candiolo Torino

C Ricciardi G Canavese GDigregorio IFerrante SFiorilli SMarasso ARicci F Pirri

LATEMAR Unit - Politecnico di Torino

  • Slide 1
  • Slide 2
  • Slide 3
  • Slide 4
  • Slide 5
  • Slide 6
  • Slide 7
  • Slide 8
  • Slide 9
  • Slide 10
  • Slide 11
  • Slide 12
  • Slide 13
  • Slide 14
  • Slide 15
  • Slide 16
  • Slide 17
  • Slide 18
  • Slide 19
  • Slide 20
  • Slide 21
  • Slide 22
  • Slide 23
  • Slide 24
  • Slide 25
  • Slide 26
  • Slide 27
  • Slide 28
  • Slide 29
  • Slide 30
  • Slide 31
  • Slide 32
  • Slide 33
  • Slide 34
  • Slide 35
  • Slide 36
  • Slide 37
  • Slide 38
  • Slide 39
  • Slide 40
  • Slide 41
  • Slide 42
  • Slide 43
  • Slide 44
  • Slide 45
  • Slide 46
  • Slide 47
  • Slide 48
  • Slide 49
  • Slide 50
  • Slide 51
  • Slide 52
  • Slide 53
  • Slide 54
  • Slide 55
  • Slide 56
  • Slide 57
  • Slide 58
  • Slide 59
  • Slide 60
  • Slide 61
  • Slide 62
  • Slide 63
  • Slide 64
  • Slide 65
  • Slide 66
  • Slide 67
  • Slide 68
  • Slide 69
  • Slide 70
  • Slide 71
  • Slide 72
  • Slide 73
  • Slide 74
  • Slide 75
  • Slide 76
  • Slide 77
  • Slide 78
  • Slide 79
  • Slide 80
  • Slide 81
  • Slide 82
  • Slide 83
  • Slide 84
  • Slide 85
  • Slide 86
  • Slide 87
  • Slide 88
  • Slide 89
  • Slide 90
  • Slide 91