Математическое моделирование иммунохроматографического анализа к.х.н. Сотников Д.В. Институт биохимии им. А.Н. Баха, ФИЦ Биотехнологии РАН 2017 Открытая лекция - представление результатов по проекту «Разработка и апробация аналитических систем для мультиплексной внелабораторной серодиагностики приоритетных инфекций крупного рогатого скота»

Принцип иммунохроматографического анализа Конкуренция

Принцип иммунохроматографического анализа «Сэндвич»

Реакция антиген-антитело, моделирование ее кинетики A + R AR kaka kdkd Скорость реакции Решение уравнения Где a = 2[A] 0 [R] 0, b = [A] 0 + [R] 0 + k d /k a

Первые модели иммунохроматографии Qian, S., Bau, H.H. (2003) A mathematical model of lateral flow bioreactions applied to sandwich assays, Analytical Biochemistry, 322, Равновесные условия! «Сэндвич» ИХА Qian, S., Bau, H.H. (2004) Analysis of lateral flow biodetectors: competitive format, Analytical Biochemistry, 326, Конкурентный ИХА

Кинетика взаимодействия анолита с маркерным конъюгатом A + P AP ka kd Вывод: Нельзя использовать приближение равновесных условий!

Вывод: Можно использовать приближение необратимой реакции Диссоциация комплекса AR A + R kd Доля диссоциировавшего комплекса

Определение констант взаимодействия антиген-антитело Biacore Принцип метода Взаимодействия моноклональных антител с антигеном 38 к Да M. Tuberculosis K A (M -1 )ka (M -1 сек -1 ) 4.55× ×10 5

Определение состава белковых конъюгатов с наночастицами

3D модель конъюгата Количество Ig G на одну наночастицу Определение состава белковых конъюгатов с наночастицами Вывод: Концентрация антител в коллоидном конъюгате около 100 нМ Sotnikov D.V., Zherdev A.V., Dzantiev B.B. International Journal of Molecular Sciences. 2015, v. 16, No 1, pp

Определение количества антиген-связывающих центров в конъюгате Антивидовые Ig G Ig G Коллоидное золото Определение свободных Ig G в ИФА Отбор над осадочной жидкости Центрифуги- рование Sotnikov D.V., Radchenko A.S., Zherdev A.V., Dzantiev B.B. Eurasian Journal of Analytical Chemistry. 2016, v. 11, N 3, pp

Зависимость концентрации IgG человека, связавшихся с конъюгатом ЗНЧ-sIgG, от исходно добавленной Вывод : Соотношение концентраций связавшихся hIgG и sIgG в конъюгате равно 0,24. То есть занятыми оказались лишь 12% потенциальных валентностей.

Определение специфических антител (серодиагностика) Схема анализа

Моделирование кинетики образования окрашенного комплекса в традиционной схеме анализа А – Ig G в пробе; Р– центры связывания Ig G на частицах коллоидного золота; R– иммобилизованный антиген; AP – комплекс Ig G с частицами коллоидного золота; AR – комплекс специфических Ig G с антигеном; APR – комплекс специфических Ig G с частицами коллоидного золота и антигеном; X – доля специфических Ig G APR = k 2 *R 0 *P 0 k 3 *A 0 × (1-exp(-k 3 *A 0 *X*t 1 ) Кинетическое уравнение A + P AP AP + R APR A + R AR P + AR APR Sotnikov, D. V., Zherdev, A. V., & Dzantiev, B. B. (2017). Analytical Chemistry, 89(8),

Влияние константы диссоциации на изменение окраски в аналитической зоне

Влияние концентрации антител на интенсивность окраски аналитической зоны

Теория Эксперимент

«Обратная» схема анализа Определение специфических IgG против антигенов микобактерии по «обратной» схеме

Моделирование кинетики образования окрашенного комплекса в «обратной» схеме анализа А – Ig G в пробе; Р– антиген на частицах коллоидного золота; R– иммобилизованный Ig G –связывающий белок; AP – комплекс специфических Ig G с антигеном; AR – комплекс Ig G с Ig G –связывающим белком; APR – комплекс специфических Ig G с меченым антигеном и Ig G –связывающим белком; X – доля специфических Ig G A + P AP AP + R APR A + R AR P + AR APR Кинетические уравнения Данные уравнения также описывают кинетику комплексообразования в «сэндвич»-формате ИХА при x=1

1 – традиционная схема, 2 – «обратная» схема Время анализа, сек 1 2

Сравнение традиционной схемы и «обратной» схемы ИХА для определения специфических антител против рекомбинантного антигена 38 к Да Mycobacterium рекомбинантного антигена 38 к Да Mycobacterium tuberculosis 1 - Традиционная схема ИХА 2 - «Обратная» схема ИХА Выявление больных в серой зоне – 50%; специфичность – 100% Источник сывороток: ЦНИИ туберкулеза РАН

Исследования проведены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на годы», соглашение от , уникальный номер проекта RFMEFI61317X0080

Спасибо за внимание!