Nanoparticle labels in immunoassays

Mgr. Veronika Poláchová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Imunochemické metody jsou vhodné pro včasnou diagnostiku onemocnění, sledování léčiv a detekci virů a bakterií. Vlastnosti imunostanovení jsou závislé na dvou faktorech; protilátkách, které jsou odpovědné za imunitní reakci s analytem, a na značkách, tedy molekulách, které generují analytický signál odpovídající koncentraci analytu. Tradičními značkami jsou radionuklidy, enzymy nebo organické fluorofory. Pro zlepšení vlastností imunostanovení však mohou být klasické značky nahrazeny nanomateriály, které vynikají například magnetickými, katalytickými a optickými vlastnostmi. Úvodní část této disertační práce shrnuje typické formáty imunostanovení včetně tradičně využívaných způsobů značení. Dále pak popisuje možnosti značení pomocí nanomateriálů s důrazem na katalytické nanočástice, kvantové tečky a photon-upconversion nanočástice. Experimentální část popisuje syntézu, charakterizace a konjugace nanočástic Pruské modři a photon-upconversion nanočástic s biomolekulami – biotinem, streptavidinem a protilátkami. Připravené biokonjugáty byly využity v imunostanovení pro detekci lidského sérového albuminu a bakteriálních patogenů Salmonella Typhimurium a Melissococcus plutonius s výslednými limity detekce 1.2 ng·ml−1, 6 x 103 CFU·ml−1 a 340 CFU·ml−1. Získaná data jsou přiložena ve formě dvou článků publikovaných v impaktovaných časopisech a manuskriptu připraveného k publikaci.

Abstract:

Immunoassays represent an efficient tool for early stage diagnostics, drug monitoring and detections of viruses and bacteria. The performance of immunoassays typically relies on two components: antibodies, which provide the immunoreaction with analyte, and labels, which generate analytical signal corresponding to concentration of analyte. Traditional labels such as radionuclides, enzymes and organic fluorophores can be replaced by nanomaterials, which possess magnetic, catalytic and optical properties, in order to improve performance of immunoassays. The introductory part of this thesis reviews immunoassay designs and traditional labelling options and nanomaterial labels with focus on catalytic nanoparticles, fluorescent quantum dots and photon-upconversion nanoparticles. The experimental part describes the synthesis, characterization and conjugation of catalytic Prussian blue nanoparticles and photon-upconversion nanoparticles with biomolecules – biotin, streptavidin and antibodies. Resulting bioconjugates found application in immunoassays for human serum albumin, Salmonella Typhimurium and Melissococcus plutonius with limits of detections of 1.2 ng·mL−1, 6 x 103 CFU·mL−1 and 340 CFU·mL−1, respectively. The obtained data and other findings are enclosed as two articles published in impacted journals and manuscript submitted for publication.

Keywords

Katalytické nanočástice, Photon-upconversion nanočástice, Nanočástice Pruské modři, Imunostanovení, Biokonjugace, Catalytic Nanoparticles, Photon-Upconversion Nanoparticles, Prussian Blue Nanoparticles, Immunoassay, Bioconjugation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 3. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 25. 4. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Jaroslav Turánek, CSc., doc. Mgr. Markéta Vaculovičová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biochemistry