Elektrochemiczna detekcja interleukiny-6 na podłożu nanotubularnym ditlenku tytanu

• Autorzy: Arkusz K. , Nycz M. , Paradowska E. , Krasicka-Cydzik E.

Warianty tytułu

EN

Electrochemical detection method for interleukin-6 on titania nanotube platforms

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Celem przeprowadzonych badań było opracowanie elektrochemicznych biosensorów do wykrywania obecności prozapalnej cytokiny, interleukiny 6 (IL-6), w roztworze soli fizjologicznej buforowanej fosforanami (phosphate bufferred saline PBS). Do tego celu wykorzystano nowe, modyfikowane powierzchniowo warstwy nanorurek ditlenku tytanu (TNT – titania nanotubes) wytworzone w procesie anodowania folii tytanu w roztworze glikolu etylenowego. Warstwy TNT poddano obróbce termicznej poprzez wyżarzanie w atmosferze argonu i funkcjonalizowano przez bezpośrednią immobilizację przeciwciał cytokiny IL-6 na ich powierzchni metodą nakraplania. Oznaczenie stężenia IL-6 w roztworze PBS badano za pomocą dwóch typów biosensorów elektrochemicznych: impedancyjnego i amperometrycznego, wykorzystując oddziaływania pomiędzy ludzkim przeciwciałem monoklonalnym IL-6 i antygenem IL-6. Działanie biosensora impedancyjnego polegało na określeniu zmian wartości pojemności elektrycznej warstwy powierzchniowej (a równocześnie kąta przesunięcia fazowego jej charakterystyki impedancyjnej) na skutek powstawania kompleksu antygen-przeciwciało IL-6. Do wykrywania antygenu IL-6 w biosensorze amperometrycznym zastosowano natomiast przeciwciało IL-6 skoniugowane z peroksydazą chrzanową (HRP). Limity detekcji IL-6 opracowanych biosensorów wynoszące 5 pg/ml są znacznie niższe od limitu detekcji w obecnie stosowanych testach immunoenzymatycznych ELISA (25 pg/ml). Zarówno korzystne właściwości adsorpcyjne i dobre przewodnictwo elektryczne materiału podłoża biosensorów, umożliwiającego zastosowanie bezpośredniej immobilizacji substancji biologicznych, jak i stosowane dwie metody elektrochemiczne: impedancyjna oraz amperometryczna sprawiają, że opracowana metoda detekcji cytokin jest szybka, tania, selektywna i czuła.

EN

Sensitive electrochemical biosensors for determination of proinflammatory cytokine Interleukin-6 are elaborated. They are based on novel and surface modified layers of titania nanotubes (TNT) formed by anodization of titanium foil in ethylene glycol solution. The TNT layers were thermally improved by annealing in argon and functionalized for biosensing by direct immobilization of biological reagents on their surfaces with the simple drop technique. Strong antibody-antigen interaction was used in two types of electrochemical biosensors: the impedimetric and the amperometric to detect the IL-6 concentrations in phosphate buffered solutions (PBS). The impedimetric biosensor determines changes of capacitance values due to the formation of IL-6 antibody-antigen complex on biosensor platform. Horseradish peroxide (HRP) conjugated antibodies are used to detect IL-6 antigen in the amperometric biosensor. Two novel electrochemical methods allow to detect 5 pg/ml of IL-6 in PBS solution, which is below detection limit 25 pg/ml in currently used enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) tests. The favorable adsorption and electrical conductance properties of the platform material, which allow the direct immobilization of biological substances on its surface and give the possibility to apply two electrochemical techniques: the impedimetric and the amperometric one, ensure the elaborated cytokine detection methods to be fast, inexpensive, selective and sensitive.

Słowa kluczowe

PL

nanorurki ditlenku tytanu; IL-6; biosensor elektrochemiczny

EN

titania nanotubes; IL-6; electrochemical biosensor

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 17, no. 125
• Strony: 21--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Arkusz K.

• Zakład Inżynierii Biomedycznej, Uniwersytet Zielonogórski, ul. Licealna 9, 65-417 Zielona Góra

autor

Nycz M.

• Zakład Inżynierii Biomedycznej, Uniwersytet Zielonogórski, ul. Licealna 9, 65-417 Zielona Góra

autor

Paradowska E.

• Zakład Inżynierii Biomedycznej, Uniwersytet Zielonogórski, ul. Licealna 9, 65-417 Zielona Góra

autor

Krasicka-Cydzik E.

• Zakład Inżynierii Biomedycznej, Uniwersytet Zielonogórski, ul. Licealna 9, 65-417 Zielona Góra

Bibliografia

• [1] Sassolas A., Prieto-Simón B., Marty J.L.: Biosensors for Pesticide Detection: New Trends. American Journal of Analytical Chemistry 3 (2012) 210-232.
• [2] Leonard P., Hearty S., Brennan J., Dunne L., John Quinn J., Chakraborty T., O’Kennedy R., Advances in biosensors for detection of pathogens in food and water, Review, Enzyme and Microbial Techn 32 (2003) 3-13.
• [3] Brian Bohunicky B., Shaker A Mousa S., Biosensors: the new wave in cancer diagnosis, Review, Nanotechnology, Science and Applications 4 (2011) 1-10.
• [4] Gorton L., Lindgren A., Larsson T., Munteanu F.D., Ruzgas T., Gazaryan I.: Direct electron transfer between heme-containing enzymes and electrodes as basis for third generation biosensors. Analytica Chimica Acta 400, 1–3 (1999) 91-108.
• [5] Freire R.S., Pessoa C.A., Mello L.D., Kubota L.T.: Direct electron transfer: an approach for electrochemical biosensors with higher selectivity and sensitivity. J. Braz. Chem. Soc 14 (2003) 230-43.
• [6] Scheller J., Chalaris A., Schmidt-Arras D., Rose-JohnS.: The pro- and anti-inflammatory properties of the cytokine interleukin-6. Biochimica et Biophysica Acta 1813 (2011) 878-888.
• [7] Heikkila K., Ebrahimb S., Lawlorc D.A.: Systematic review of the association between circulating interleukin-6 (IL-6) and cancer. European Journal of Cancer 44 (2008) 937-945.
• [8] Guo Y., Xu F., Lu T.J., Duan Z., Zhang Z.: Interleukin-6 signaling pathway in targeted therapy for cancer. Cancer Treatment Reviews 38 (2012) 904-910.
• [9] Krishnamoorthy S., Iliadis A.A., Beic T., Chrousos G.P.: An interleukin-6 ZnO/SiO2/Si surface acoustic wave biosensor. Biosensors and Bioelectronics 24 (2008) 313-318.
• [10] Kapoor R., Wang C.W.: Highly specific detection of interleukin-6 (IL-6) protein using combination tapered fiber-optic biosensor dip-probe. Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 2696-2701.
• [11] Wang G., Huang H., Zhang G., Zhang X., Fang B., Wang L.: Dual Amplification Strategy for the Fabrication of Highly Sensitive Interleukin-6 Amperometric Immunosensor Based on Poly-Dopamine. Langmuir 27, 3 (2011) 1224-1231.
• [12] Joo J., Kwon D., Yim C., Jeon S.: Highly Sensitive Diagnostic Assay for the Detection of Protein Biomarkers Using Microresonators and Multifunctional Nanoparticles. Acsnano 6, 5 (2012) 4375-4381.
• [13] Yanga T., Wanga S., Jin H., Baoa W., Huanga S., Wang J.: An electrochemical impedance sensor for the label-free ultrasensitive detection of interleukin-6 antigen. Sensors and Actuators B 178 (2013) 310-315.
• [14] Xiao P., Zhang Y., Garcia B.B., Sepehri S., Liu D., Cao G.: Nanostructured Electrode with Titania Nanotube Arrays: Fabrication, Electrochemical Properties, and Applications for Biosensing. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 8 (2008) 1-11.
• [15] Wang Y., Xu H., Zhang J., Li G: Electrochemical Sensors for Clinic Analysis. Sensors 8 (2008) 2043-2081.
• [16] Guo C.X., Hu F.P., Li C.M., Shen P.K.: Direct electrochemistry of hemoglobin on carbonized titania nanotubes and its application in a sensitive reagentless hydrogen peroxide biosensor. Biosens Bioelectron 24 (2008) 819.
• [17] Mubarak A., Muhammad N.T., Zuzanna S., Reinhard N., Wolfgang T., Ensinger W.: Hydrogen peroxide sensing with horseradish peroxidase-modified polymer single conical nanochannels. Anal Chem 83 (2011) 1673.
• [18] Zhang J.D., Oyama M.: A hydrogen peroxide sensor based on the peroxidase activity of hemoglobin immobilized on gold nanoparticles-modified ITO electrode. Electrochim Acta 50 (2004) 85.
• [19] Degani R., Heller A.: Direct electrical communication between chemically modified enzymes and metal electrodes. 2. Methods for bonding electron-transfer relays to glucose oxidase and D-amino--acid oxidase. J Am Chem Soc 110 (1998) 2615.
• [20] Yang B., Ng C.K., Fung M.K., Ling C.C., Djurisic A.B., Fung S.: Annealing study of titanium oxide nanotube arrays. Materials Chemistry and Physics 130 (2011) 1227-1231.
• [21] Xiao P., Liu D., Garcia B.B., Sepehri S., Zhang Y., Cao G.: Electrochemical and photoelectrical properties of titania nanotube arrays annealed in different gases. Sensors and Actuators B 134 (2008) 367-372.
• [22] Wang J.: Nanomaterial-based electrochemical biosensors. Analyst, 130 (2005) 421-426.
• [23] Valentini F., Palleschi G.: Nanomaterials and analytical chemistry. Analytical Letters 41 (2008) 479-520.
• [24] Viticoli M., Curulli, A., Cusma A., Kaciulis S., Nunziante S., Pandolfi L., Valentini F., G. Padeletti G.: Third-generation biosensors based on TiO2 nanostructured films. Materials Science and Engineering C 5-7 (2006) 947-951.
• [25] Ruzgasa T., Csöregib E., Emnéusb J., Gorton L.: Peroxidase--modified electrodes: Fundamentals and application. Analytica Chimica Acta 330, 2-3 (1996) 123-138.
• [26] Ferapontova E., Dominguez E.: Adsorption of differently charged forms of horseradish peroxidase on metal electrodes of different nature: effect of surface charges. Bioelectrochemistry 55 (2002) 127-130.
• [27] Wang L., Wang E.K.: A novel hydrogen peroxide sensor based on horseradish peroxidase immobilized on colloidal Au modified ITO electrode. Electrochem Commun 6 (2004) 225.
• [28] Krasicka-Cydzik E., Arkusz K., Kaczmarek A.: A mathematical model for selection of formation parameters of TiO2 nanotube by anodizing. Engineering of Biomaterials 15, 114 (2012) 34-40.
• [29] Turner C.K., Blieden T.M., Smithc T.J., Feldon S.E., Foster D.C., Sime P.J., Phipps R.P.: A novel ELISpot method for adherent cells J. Immunol. Methods 291 (2004) 63-70.
• [30] Wang Y.L., Salehi M., Schutz M., Rudi K., Schlucker S.: Determination of Multiresidual Fungicides in Environmental Water Samples by High Performance Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry. Analyst, 138 (2013) 1764-1771.

Uwagi

PL

Katarzyna Arkusz dziękuje Ministerstwu Nauki i Szkolnictwa Wyższego za wsparcie uzyskane w ramach projektu Diamentowy Grant: „Opracowanie elektrochemicznego biosensora do wykrywania wybranych cytokin na podłożu Ti/TiO2”, 2011-2013.