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纳米孔技术对PD-1抗原抗体结合检测的实验研究
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关键词:
- 纳米孔
- / 程序性死亡受体1(PD-1)
- / 抗体
- / 抗原
- / 无标志
English
Label-free Detection of PD-1 Antibody and Antigen Immunoreaction Using Nano-Sensors
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Key words:
- nanopore
- / programmed death receptor 1 (PD-1)
- / antibody
- / antigen
- / label-free
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1. 引言
恶性肿瘤[1, 2]是威胁人类健康的常见疾病, 位居人类疾病三大主要死亡原因之首, 占所有疾病死因的四分之一.新兴的肿瘤的免疫疗法是利用人体自身的免疫系统去治疗肿瘤的一种方法, 程序性死亡受体1 (PD-1)是肿瘤免疫疗法中的一种免疫检查点, 利用PD-1或PD-L1的单克隆抗体, 可以阻断PD-1/PD-L1信号通路, 恢复T细胞的免疫杀伤功能, 实现肿瘤的免疫治疗[3, 4].
而PD-1/PD-L1信号通路本质上是一种与癌症有关的蛋白相互[5]作用, 理解蛋白质间的相互作用对于基础生物化学以及制药行业有非凡的意义.科学家们在过去的十几年里致力于用纳米器件研究蛋白相互作用, 包括抗原抗体相互作用[6~10].在单分子层面上, 抗原抗体免疫反应的评判依据是检测到单个抗原和抗体分子的结合作用[11~15].现阶段蛋白质检测较为成熟的手段主要有质谱、免疫荧光分析和表面等离子体共振.这些技术往往需要荧光修饰的支持, 且检测对象是全体蛋白分子.针对分子个体的检测技术如原子力显微镜(AFM)受限于样品状态和荧光标记, 无法检测液相样品.而与传统蛋白质检测手段相比, 新兴的纳米孔技术[16, 17]的优势在于: (1)无标志检测; (2)针对分子个体而不是蛋白分子全体.
纳米孔技术作为单分子检测[18]技术之一, 可以应用于DNA测序[19~22]、蛋白质检测[23~25]、药物筛选[26, 27]等一系列分子级别的工作.纳米孔技术起源于库仑计数器, 通过膜片钳放大器记录溶液环境中带电生物分子在电场作用下通过纳米孔的脉冲电流信号来统计分析生物分子的过孔形态、带电性等参数. Han小组[28]检测了人体绒毛膜促性腺激素, 并实时观测了加入其抗体后溶液环境中两者结合物的形态变化.纳米孔Freedman小组[29]分别检测了人体免疫缺陷病毒包膜表面的糖蛋白gp120单体及其与特异性抗体的结合物并模拟了人体内的多组分环境. Kwak小组[30]应用固态纳米孔探究了(p53TAD)/MDM2相互作用, 并体外模拟了MDM2抑制剂Nutlin-3对(p53TAD)/MDM2信号通路的阻断作用.除了抗原抗体结合之后的被动检测, 还有一种主动检测法, Ying等[31]利用化学方法将甲种胎儿球蛋白(AFP)抗体修饰到石英纳米孔上, 实现了AFP抗原抗体的结合检测, 纳米孔的电化学限域效应[32~34]在抗原抗体的结合上起到了一定作用.
本文将探究纳米传感技术在PD-1抗原抗体分子结合检测上的应用.以PD-1受体蛋白为研究对象, 利用纳米孔传感器件展开了关于PD-1、PD-1抗体及其两者结合物的辨识.实验首先进行了纯PD-1抗原分子及纯PD-1抗体分子的纳米孔实验, 实现了两者在体积上的区分.接着, 对Si3N4纳米孔进行PD-1抗体修饰, 在外界电场作用下, 使得PD-1蛋白质分子通过修饰过的纳米孔, PD-1蛋白质分子与PD-1抗体因为抗原抗体之间的特异性关系发生结合, 纳米孔从而可以实现结合物的检测.未来, 纳米孔技术有望基于此实现药物有效性的筛选.
2. 结果与讨论
2.1 PD-1抗原及其抗体的检测
在检测PD-1抗原-抗体免疫结合物之前, 首先分别对PD-1抗原及其抗体进行了纳米孔实验.溶液环境为0.5 mol/L、pH=8 KCl, 采用直径约为49 nm、厚度约为10 nm的纳米孔进行实验, 实验环境温度约为25 ℃, 电压为800 mV.
本研究进行了PD-1抗原分子的纳米孔实验, 然后用食人鱼溶液清洗该纳米孔, 继续进行PD-1抗体的纳米孔实验, 使得两次实验使用同一个纳米孔, 方便后续实验数据的横向比对.将PD-1抗原加入液池cis端, 向Ag/AgCl电极施加电压, 带电蛋白分子会在外界电压作用下驱动过孔, 膜片钳放大器采集的离子电流信号出现向下的阻塞信号, 图 1a、1b分别为PD-1及其抗体的原始离子电流信号图.对采集到的堵塞离子电流信号中的相对堵塞电流幅值比ΔI/I0进行统计分析, 得到其柱状图, 为突出显示数据的集中程度, 用高斯分布对柱状图进行数据拟合, 得到高斯拟合峰值, 图 1c、1d分别为PD-1及其抗体的ΔI/I0柱状图, 由图可知, PD-1及其抗体的高斯峰值分别为0.00404和0.01297, PD-1抗体的ΔI/I0约为PD-1的3.21倍, 即PD-1抗体的体积比PD-1的大.
图 1
图 1. (a) PD-1原始离子电流信号图、(b) PD-1抗体原始离子电流信号图、(c) PD-1相对堵塞电流幅值比ΔI/I0柱状图(曲线为高斯拟合曲线, 拟合峰值为0.00404)、(d) PD-1抗体ΔI/I0柱状图(曲线为高斯拟合曲线, 拟合峰值为0.01297)、(e) PD-1抗原的粒径分布图和(f) PD-1抗体的粒径分布图Figure 1. (a) The raw current trace of the PD-1, (b) the raw current trace of the PD-1 antibody, (c) the relative current drop ΔI/I0 histogram of the PD-1 (the curve satisfies Gauss distribution and the Gauss peak is about 0.00404), (d) the relative current drop ΔI/I0 histogram of the PD-1 antibody (the Gauss peak is about 0.01297), (e) hydrodynamic measurements of PD-1 antigen without electric field using dynamic light scattering (DLS) (hydrodynamic diameter (Dh) of PD-1 antigen is about 5.10 nm) and (f) hydrodynamic measurements of PD-1 antibody without electric field using dynamic light scattering (DLS) (hydrodynamic diameter (Dh) of PD-1 antibody is about 10.08 nm)由实验值, 可以进一步计算出生物分子的直径.纳米孔蛋白分子有效直径公式[35~37]:
$ {d_{\rm{m}}} \cong {\left[ {\left( {\Delta {I_{\rm{b}}}/{I_{\rm{0}}}} \right)\left( {l + 0.8{d_{\rm{p}}}} \right)d_{\rm{p}}^{\rm{2}}} \right]^{1/3}} $
(1) 其中, dm是需要计算的蛋白质在孔内的有效直径, ΔIb是电流幅值, I0是基线电流, l是孔长, dp是孔的直径. (l+0.8dp)是修正系数, 由此公式, 计算得抗体蛋白分子直径为9.059 nm, 抗原分子直径为5.729 nm.同时, 利用电位粒度分析仪所测得的抗原分子直径如图 1e, 约为5.10 nm, 抗体直径如图 1f, 约为10.08 nm.由此可以发现, 纳米孔的生物分子的直径大小与其吻合, 故纳米孔技术可有效实现抗原抗体的鉴别.
2.2 PD-1修饰纳米孔及实验验证
2.2.1 纳米孔内壁修饰及其表征
分别进行了PD-1抗原和抗体的单分子过孔实验后, 接着进行了抗原-抗体结合物的检测.实验采用主动检测的方法, 首先对Si3N4纳米孔的内壁进行PD-1抗体修饰, 然后基于抗原抗体特异性相互作用的原理, 使用化学修饰过的纳米孔对PD-1蛋白质分子进行检测. 图 2a为PD-1抗体修饰Si3N4纳米孔内壁的示意图, 图 2b为纳米孔内壁修饰前后记录的纳米孔I-V曲线.
图 2
图 2. (a) 孔壁抗体修饰过程和(b)纳米孔在孔壁抗体修饰前后的I-V曲线Figure 2. (a) Nanopore antibody modification and (b) characterization of the modified nanoporeThe square line represents the I-V curve with equal concentration buffer solution. The dot line represents the I-V curve with concentration gradient buffer solution. The triangle line represents the I-V curve of the modified nanopore with concentration gradient buffer solution
2.2.2 纳米孔抗体修饰有效性的实验检测
实验之前, 在cis和trans端加入等浓度的0.5 mol/L的KCl溶液, 液池腔体内不添加任何蛋白质分子, 校零处理后用膜片钳放大器记录纯电解质溶液的I-V曲线, 如图 2b中的方块点划线, I-V曲线过零点且电压与电流呈线性关系, 可见实验用氮化硅纳米孔性能正常.
然后, 液池两侧配置浓度差, 腔体一侧加入0.5mol/L的KCl溶液, 另一侧加入纯水, 液池腔体内不添加任何蛋白质分子, 此时的I-V曲线依旧呈线性关系, 但位于零点之上, 如图 2b中的圆形点划线.假设纳米通道不带电, 那么当电压为0 mV时, 由于电势差的作用, 盛有高浓度电解质溶液的腔体中的正负离子都可以过孔, 且数量大致相同, 电流应该为0 nA.但是, 该组实验中, 当电压为0 mV时, 电流为正值, 这说明溶液中通过纳米孔的正离子更多一些, 也就是说纳米通道对正离子有吸引作用, 而对负离子有排斥作用, 即纳米孔内壁带负电.
在对纳米孔内壁进行抗体修饰后, 继续进行I-V曲线的测量, 修饰成功的指标是纳米孔壁电性改变以及孔径缩小.首先验证孔径缩小, 采用公式:
$ G = \sigma {\left( {\frac{{4l}}{{\pi {d^2}}} + \frac{1}{d}} \right)^{ - 1}} $
(2) 其中G是纳米孔的电导; σ是溶液电导系数, 取值5.59; l是纳米孔膜厚, 取值15 nm; d是纳米孔孔径.取100 mV时电流, 由Eq. 2计算结果得, 修饰之前的方形线: d1=48.7 nm; 修饰之前的圆点线: d2=49 nm; 修饰之后的三角线: d3=35.7 nm.由此可见纳米通道明显变窄了.接下来验证壁面电性发生了改变.在液池两侧设置浓度差, 腔体一侧加入0.5 mol/L的KCl溶液, 另一侧加入纯水, 此时I-V曲线呈线性关系且位于零点之下, 如图 2b中的三角点划线, 也就是说溶液中通过纳米孔的负离子更多一些, 纳米通道对负离子有吸引作用, 对正离子有排斥作用, 即纳米孔内壁带正电.以上实验连续进行, 即可证明Si3N4纳米孔内壁已经修饰上了PD-1抗体, 并且经过抗体修饰后纳米孔内壁的电性发生了改变.
2.3 PD-1抗原-抗体结合物的检测
因为抗原、抗体本质上都是蛋白质, 所以抗原-抗体结合物实际上就是蛋白质-蛋白质结合物, 基于免疫学抗原抗体特异性结合的理论, 当抗原遇到具有特异性的抗体时, 两者就会通过静电力、范德华力、氢键结合力和疏水作用力在空间构型上互补进而结合.这种结合作用主要受到抗原、抗体分子各自的浓度以及抗原抗体分子比例关系影响, 同时也会受到结合温度、电解质溶液的酸碱度等因素影响.
对经抗体修饰过的纳米孔进行PD-1抗原-抗体结合物的检测, 图 3a为该实验的过程示意图.溶液环境为0.5 mol/L、pH=8的KCl溶液, 采用直径约为49 nm、厚度约为10 nm的纳米孔进行实验, 实验环境温度约为25 ℃, 电压为800 mV.将经PD-1抗体修饰过的纳米孔夹持在一组液池中间, 向cis端添加PD-1抗原, 进行纳米孔实验.
图 3
实验统计了此次实验的相对阻塞电流幅值比并绘制了柱状图, 图 3b、3c分别为PD-1结合过孔实验的散点图以及ΔI/I0的柱状图, 散点图的横坐标代表蛋白质分子在纳米孔中的停留时间, 纵坐标代表ΔI/I0, 用高斯分布对其进行拟合, 高斯拟合出现两个主要峰值, 如图 3c, 分别为0.00685和0.02128.根据Eq. 1可知, 当ΔIb/I0越大时, dm也越大, 表明蛋白直径越大.实验统计中, 出现了两个峰, 初步判断较小的峰是抗原抗体的混杂物(未结合), 较大的峰(超过单独抗体峰值)是抗原抗体结合物.
为了进一步验证, 将此次试验的ΔI/I0与之前的纯PD-1抗原、抗体数据进行对比, 柱状图的横坐标代表ΔI/I0, 纵坐标代表所占百分比.结合图 1c, 1d, 我们将三组实验的ΔI/I0数据单独取出进行比对, 可以发现, 结合物实验的两个峰值, 数值大一点的峰值(0.02128)约为PD-1抗体分子(0.01297)的1.64倍, 与文献[31]中结合物的体积大于抗体分子的结果吻合, 证明了结合物实验中部分PD-1抗原抗体实现了特异性结合, 并且纳米孔技术可以检测到抗原抗体的结合.而数值小一点的峰值(0.00685)介于PD-1蛋白分子(0.00404)以及PD-1抗体分子(0.01297)之间, 这有可能是孔壁掉落的修饰的PD-1抗体、游离在溶液中的PD-1蛋白分子以及抗原聚合体共同作用形成的, 其在ΔI/I0数值上的分布存在交叠, 因此该数值介于两者之间.由图 3可明显看出, 实验可以实现PD-1抗原、抗体结合物的有效辨识.
3. 结论
证实了纳米孔传感技术可以应用于抗原抗体的检测, 实验运用Si3N4纳米孔实现了PD-1蛋白分子、PD-1抗体及其结合物的辨识.对纯PD-1蛋白分子以及纯PD-1抗体分子进行了纳米孔实验, 发现PD-1及其抗体的相对堵塞电流幅值比分别为0.00404和0.01297, 结合理论公式, 可实现抗原抗体区分.对Si3N4纳米孔内壁进行了PD-1抗体修饰, 并通过修饰前后纳米孔I-V曲线的变化证实了纳米孔内壁确实修饰了PD-1抗体, 并且经修饰后的纳米孔内壁由负电性变为正电性.最后将PD-1蛋白质分子通过经抗体修饰后的纳米孔, 从而实现结合物的检测, 实验结果显示部分抗原抗体实现了特异性结合, 剩下部分呈游离状, 所以纳米孔技术可实现抗原抗体结合物的区分.未来, 纳米孔技术有望成为癌症抑制剂药物有效性评估的一种无标志手段.
4. 实验部分
4.1 SiN固态纳米孔的制备及表征
实验中使用的Si3N4固态纳米孔制备过程[39~41]如下: (1)利用低压化学气相沉积法(LPCVD)在硅基底的两面分别沉积上一层100 nm厚度的Si3N4薄膜; (2)利用光刻技术(Photolithography)和反应离子刻蚀技术(Reactive ion etching)在基底的底端刻蚀出一个正方形窗口; (3)利用湿法刻蚀技术(Wet etching)在上一步的窗口中继续刻蚀出一个深槽, 刻蚀至上端氮化硅薄膜处; (4)利用离子束刻蚀技术(FIB)将薄膜减薄至10 nm厚,减薄区域直径为1 μm; (5)继续利用FIB技术在剪薄区域加工出一个49 nm左右的纳米孔. 图 4a为制备好的Si3N4纳米孔的结构示意图, 黑色圆圈区域为实际打孔区域. 图 4b是实际打孔区域的结构放大图, 左侧为纳米孔剖切截面图, 右侧为纳米孔俯视图. 图 4c制备好的纳米孔经调零后的I-V曲线, 点划线为实验数据, 直线为拟合曲线, 左上角为纳米孔的扫描电镜(SEM)图.
图 4
图 4. (a) Si3N4纳米孔的结构图(圆圈区域为FIB技术实际打孔区域)、(b) FIB技术实际打孔区域的结构放大图(左侧为纳米孔剖切截面图, 右侧为纳米孔俯视图, lp为纳米孔孔长, dp为纳米孔孔径)、(c)制备好的纳米孔经调零后的I-V曲线(点划线为实验数据, 直线为拟合曲线, 左上角为纳米孔的SEM图, 整个实验在0.5 mol/L、pH=8的KCl溶液环境中进行)Figure 4. (a) The structure of the fabricated nanopore, and the black circle area is the actual pore, (b) the enlarged image of the actual pore (the left one is the sectional view of the nanopore, and the right one is the top view of the pore) and (c) the I-V curve with an inserted SEM image of fabricated pore after zero calibration (the whole experiment is conducted in pH=8, 0.5 mol/L KCl solution)4.2 实验平台搭建
蛋白质样品PD-1、PD-1抗体及PBS缓冲液均购自于上海生工生物工程有限公司.氯化钾、氢氧化钾、盐酸购自美国Sigma-Aldrich有限公司.电解质溶液的pH值使用瑞士Mettler Toledo国际有限公司的台式pH计进行调定.实验溶液制备过程中的超纯水均由美国Millipore公司的Milli-Q超纯水系统提供.
纳米孔技术的单分子检测原理如图 5, 含有纳米孔的芯片夹持在一对盛有电解质溶液的液池之间, 两侧液池分别被定义为cis端和trans端, cis端一般接地并添加待检样品, trans端通常连接电源的正极或负极.一对Ag/AgCl电极分别插入两侧液池中, 并连接膜片钳放大器(Axon 700B).膜片钳放大器用以施加电压并采集实验电流信号, 电流范围为-1000~+1000 mV, 采样频率为250 kHz, 低通滤波为10 kHz.为了减小外界噪音对实验的影响, 整个实验装置设置在黑色的法拉第笼中, 且整个实验室的内部墙壁使用铜网进行噪音屏蔽.
图 5
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Ma, J.; Qiu, Y.; Yuan, Z. Phys. Rev. E 2015, 92, 022719. doi: 10.1103/PhysRevE.92.022719
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图 1 (a) PD-1原始离子电流信号图、(b) PD-1抗体原始离子电流信号图、(c) PD-1相对堵塞电流幅值比ΔI/I0柱状图(曲线为高斯拟合曲线, 拟合峰值为0.00404)、(d) PD-1抗体ΔI/I0柱状图(曲线为高斯拟合曲线, 拟合峰值为0.01297)、(e) PD-1抗原的粒径分布图和(f) PD-1抗体的粒径分布图
Figure 1 (a) The raw current trace of the PD-1, (b) the raw current trace of the PD-1 antibody, (c) the relative current drop ΔI/I0 histogram of the PD-1 (the curve satisfies Gauss distribution and the Gauss peak is about 0.00404), (d) the relative current drop ΔI/I0 histogram of the PD-1 antibody (the Gauss peak is about 0.01297), (e) hydrodynamic measurements of PD-1 antigen without electric field using dynamic light scattering (DLS) (hydrodynamic diameter (Dh) of PD-1 antigen is about 5.10 nm) and (f) hydrodynamic measurements of PD-1 antibody without electric field using dynamic light scattering (DLS) (hydrodynamic diameter (Dh) of PD-1 antibody is about 10.08 nm)
图 2 (a) 孔壁抗体修饰过程和(b)纳米孔在孔壁抗体修饰前后的I-V曲线
Figure 2 (a) Nanopore antibody modification and (b) characterization of the modified nanopore
The square line represents the I-V curve with equal concentration buffer solution. The dot line represents the I-V curve with concentration gradient buffer solution. The triangle line represents the I-V curve of the modified nanopore with concentration gradient buffer solution
图 4 (a) Si3N4纳米孔的结构图(圆圈区域为FIB技术实际打孔区域)、(b) FIB技术实际打孔区域的结构放大图(左侧为纳米孔剖切截面图, 右侧为纳米孔俯视图, lp为纳米孔孔长, dp为纳米孔孔径)、(c)制备好的纳米孔经调零后的I-V曲线(点划线为实验数据, 直线为拟合曲线, 左上角为纳米孔的SEM图, 整个实验在0.5 mol/L、pH=8的KCl溶液环境中进行)
Figure 4 (a) The structure of the fabricated nanopore, and the black circle area is the actual pore, (b) the enlarged image of the actual pore (the left one is the sectional view of the nanopore, and the right one is the top view of the pore) and (c) the I-V curve with an inserted SEM image of fabricated pore after zero calibration (the whole experiment is conducted in pH=8, 0.5 mol/L KCl solution)
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