Development of up-conversion luminescence lateral flow assay system using magnetic nanoparticles as solid support

Abstract

The concept of utilising magnetic nanoparticles (MNPs) in lateral flow immunoassays (LFIAs) has been in great interest in LFIA research. However, MNPs have primarily been employed as labels or in immunomagnetic separation. The assay formats themselves have been conventional sandwich or competitive LFIAs, using capture antibodies immobilised onto a nitrocellulose membrane. The aim of this master’s thesis is to investigate a sandwich LFIA using MNPs as a solid support (MNP-LFIA), with upconverting nanoparticles (UCNPs) as a method of detection, to facilitate sensitive detection. To date, no peer-reviewed articles on this type of MNP-LFIA have been published.

In this thesis, a custom-designed test cassette for MNP-LFIA was developed and 3D printed. Different configurations of the magnetic field were explored to efficiently gather and concentrate MNPs as a sharp test line. Capture antibodies were immobilised on MNPs, serving as a solid support for analyte binding. The suitability of the assay for biodetection was assessed by measuring the signal strength of biotinylated bovine serum albumin (bio-BSA) at different MNP concentrations. Additionally, the assay was also evaluated using cardiac troponin I (cTnI), focusing on the effect of pre-incubation methods on baseline signal levels.

The results of this study indicate that MNPs cannot be employed in luminescence-LFIA. The measured signal exhibited a sharp drop in the baseline signal on the test line. This negative signal was solely dependent on the amount of MNPs, showing no correlation with analyte concentration. While a technical foundation for MNP-LFIA is functional, a further study is needed to understand the underlying mechanism of UCNP quenching in MNP-LFIA.

Vaikka magneettisille nanopartikkeleille (MNP) on kehitetty useita käyttökohteita immunokromatografisiin sivuvirtausmäärityksiin (LF-määritys, engl. lateral flow immunoassay, LFIA) perustuville diagnostisille testeille, ovat niiden käyttökohteet lähinnä rajoittuneet erinäisiin leimateknologioihin tai näytteen puhdistamiseen immunomagneettisella erottelulla. Itse LF-määritykset ovat kuitenkin perustuneet joko kilpailevaan tai kerrostettuun (engl. sandwich-assay) määritykseen, joissa testiviivan muodostavat nitroselluloosalle kiinnitetyt vasta-aineet. Tämän Pro Gradu -tutkielman tarkoituksena on kehittää magneettipartikkeleihin perustuva LF-määritys (MNP-LFIA), jossa analyytin tunnistamiseen käytetään käänteisviritteisiä nanopartikkeleita (UCNP, engl. upconverting nanoparticles), joita on käytetty onnistuneesti herkissä immunomäärityksissä. Tutkielman julkaisuhetkellä vertaisarvioituja tutkimuksia MNP-LFIA:sta UCNP:llä ei ole.

Tutkielmassa kehitettiin tarkoitukseen soveltuva määrityskasetti 3D-tulostamalla. Magneettien asemoinnin vaikutusta testiviivan muodostumiseksi selvitettiin, jonka lopputuloksena kyettiin muodostamaan tarkka MNP:eista muodostuva testiviiva ulkoisella magneettikentällä. Määrityksen soveltuvuutta biomerkkiaineen tunnistamiseksi arvioitiin mittaamalla biotinyloitua naudan seerumialbumiinin (bio-BSA, engl. biotinylated bovine serum albumin) signaalivastetta eri MNP-pitoisuuksissa. Lisäksi näytteiden esikäsittelyn vaikutusta LF-määrityksessä esiintyvään perussignaaliin (eng. baseline) arvioitiin sydänperäisellä troponiini I:llä.

Havaitun aineiston perusteella UCNP-leimat eivät soveltuisi MNP-LFIA:aan. Mittauksissa testialueella havaittiin äkillinen romahdus perussignaalissa, jonka syvyys oli riippuvainen ainoastaan MNP:n määrästä. Analyytin pitoisuudella ei todettu olevan vaikutusta. Vaikka MNP-LFIA:n tekninen sovellutus onnistui, edellyttää UCNP:iden sammumismekanismin ymmärtäminen jatkotutkimusta.