非キレート化ガドリニウム（III）のためのアプタマーベースのセンサー

Summary

The use of polydeoxynucleotide (44-mer aptamer) molecules for sensing unchelated gadolinium(III) ion in an aqueous solution is described. The presence of the ion is detected via an increase in the fluorescence emission of the sensor.

Abstract

A method for determining the presence of unchelated trivalent gadolinium ion (Gd³⁺) in aqueous solution is demonstrated. Gd³⁺ is often present in samples of gadolinium-based contrast agents as a result of incomplete reactions between the ligand and the ion, or as a dissociation product. Since the ion is toxic, its detection is of critical importance. Herein, the design and usage of an aptamer-based sensor (Gd-sensor) for Gd³⁺ are described. The sensor produces a fluorescence change in response to increasing concentrations of the ion, and has a limit of detection in the nanomolar range (~100 nM with a signal-to-noise ratio of 3). The assay may be run in an aqueous buffer at ambient pH (~7 – 7.4) in a 384-well microplate. The sensor is relatively unreactive toward other physiologically relevant metal ions such as sodium, potassium, and calcium ions, although it is not specific for Gd³⁺ over other trivalent lanthanides such as europium(III) and terbium(III). Nevertheless, the lanthanides are not commonly found in contrast agents or the biological systems, and the sensor may therefore be used to selectively determine unchelated Gd³⁺ in aqueous conditions.

Introduction

技術固有の感度によって制限され、臨床診断、磁気共鳴イメージング（MRI）の重要性の高まりは、新規ガドリニウムベースの造影剤^（GBCAs）1の開発の研究の急速な成長をもたらしました。 GBCAsは、画像品質を改善するために投与される分子であり、それらは、典型的には、多座配位子に配位価のガドリニウムイオン（Gdの^3+）の化学構造を有します。非キレートのGd ^3+は有毒であるように、この複合体形成は極めて重要です。それは、腎疾患または障害²と一部の患者における腎性全身性線維症の発症に関与しています。その結果、水性の遊離イオンを検出することがGBCAsの安全性を確保することに尽力しています。 GBCAソリューションの非キレート化のGd ³⁺の存在は、多くの場合、リガンドとイオン、複合体の解離、またはdisplacemen間の不完全な反応の結果であります他の生物学的金属カチオン³によってトン。

現在のGd ^3+、汎用性および適用⁴の観点で最も高いクロマトグラフィーおよび/または分析のランクに依存するそれらの存在を決定するために使用されるいくつかの技術のうち。それらの長所の中でも、高感度および精度、（リストを、複数のGd ³⁺複合体の同時定量（ヒト血清^5、尿及び毛髪^6、廃水^7、及び造影剤配合物^8を含む） ^は 、種々のサンプルマトリックスを分析する能力であります研究の2013年前にはTelgmann ら ^）4により包括的なレビューに記載されています。唯一の欠点は、これらの方法のいくつかは、いくつかの研究室がアクセス権を持っていないかもしれません（そのような誘導結合プラズマ質量分析など）計測器^4を必要とすることです。研究や概念実証レベルでの新たなGBCA発見の文脈の中で、ARelativelyより、便利で迅速、かつ費用対効果の高い分光ベースの方法は、（例えば、UV-可視吸収または蛍光のような）価値のある代替物として機能することができます。心の中でこれらのアプリケーションでは、水のGd ³⁺のための蛍光アプタマーベースのセンサは^9を開発しました。

アプタマー（GD-アプタマー）が指数関数的濃縮^（SELEX）9によるリガンドの系統的進化の過程を経て単離した塩基の特定の配列を有する44塩基長の一本鎖DNA分子です。蛍光センサーにアプタマーを適応させるために、フルオロフォアは、その後13相補的塩基（ 図1）を介して急冷ストランド（QS）とハイブリダイズされた鎖の5 '末端に結合しています。 QSは、3 '末端ダーククエンチャー分子でタグ付けされています。 Gd ³⁺の非存在下では、1からなるセンサ（GD-センサー）：それぞれのGd-アプタマーとQSの2モル比は、最小の蛍光発光によるTを有していますクエンチャーへのフルオロフォアからOエネルギー移動。水性のGd ³⁺を添加すると、蛍光発光の増加をもたらす、のGd-アプタマーからQSを置換します。

フルオレセイン（蛍光団）とダブシルでタグ付けされた13塩基長の消光ストランド（QS）でタグ付けされた44塩基長のアプタマー（GD-アプタマー）（ダーククエンチャー）で構成され 、図1 のセンサ（GD-センサー） 。非キレート化のGd ³⁺の非存在下では、センサの蛍光は最小です。 Gd ³⁺を添加し、QSの変位が発生し、蛍光発光の増加が観察されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

検出のための1つの一般的に使用される分光ベースの方法は、現在ではあり水性のGd ^3+をる。このアッセイは、イオン¹⁰にキレート化時に433から573 nmの最大吸収波長のシフトを起こす分子キシレノールオレンジを使用しています。これら二つの吸光度最大値の比率は、非キレート化のGd ³⁺の量を定量するために使用することができます。 2つの方法は、標的選択性、定量の線形範囲は、検出様式（例えば、pH及び使用する緩衝液の組成など）は、異なる反応条件を有するようにアプタマーセンサーは、キシレノールオレンジアッセイに代わるもの（これも相補的であってもよい）であります^9。

Protocol

注：分子生物学グレードの水は、すべての緩衝液および溶液製剤で使用されます。すべて使い捨てチューブ（微量とPCR）およびピペットチップはDNase-とRNaseフリーです。使用前に、すべての化学物質のための材料安全データシート（MSDS）を参照してください。適切な個人保護具（PPE）の使用を強くお勧めします。 アプタマーストック溶液の調製商業的にポリデオ?…

Representative Results

非キレート化のGd 3+の存在下でのGdセンサ液の典型的な蛍光変化を、 図2に示されています。発光は、任意の単位（AFU）における蛍光倍数変化（ 図2A）又は読み出しの生の蛍光（ 図2B）としてプロットすることができます。両方のプロットは、1μMおよび> 3μMでの信号の飽和以下のGd 3+の濃度について線形範囲で非…

Discussion

アプタマーベースのGd-センサを用いて、非キレート化のGd ³⁺の濃度に比例する蛍光発光の増加が観察されます。使用されるサンプルの量を最小にするために、アッセイは、ウェル当たり45μLの全試料体積で384ウェルマイクロプレートで実行されてもよいです。この設計では、フルオレセイン（FAM）およびダブシル（DAB）の選択は、主に、試薬のコストに基づいていました。発光波長、?…

Materials

Gd-aptamer	IDTDNA	Input sequence and fluorophore modification in the order form	A fluorophore with a different emission wavelength may be used. The aptamer may also be ordered from another company.
Quenching strand	IDTDNA	Input sequence and quencher modification in the order form	A different quencher for optimal energy transfer from the fluorophore may be used. The aptamer may also be ordered from another company.
Molecular biology grade water			No specific manufacturer, both DEPC or non-DEPC treated work equally well
Gadolinium(III) chloride anhydrous	Strem	936416	Toxic
HEPES	Fisher Scientific	BP310-500
Magnesium chloride anhydrous	MP Biomedicals	0520984480 – 100 g
Sodium Chloride	Acros Organics	327300025
Potassium chloride	Fisher Scientific	P333-500
Sodium hydroxide, pellets	Fisher Scientific	BP359	Corrosive
Hydrochloric acid	Fisher Scientific	SA49	Toxic and corrosive
384-well low flange black flat bottom polystyrene NBS plates	Corning	3575	Plates which are suitable for fluorescence reading are required.
Nalgene Rapid-Flow sterile disposable bottle top filter	Thermo Scientific	5680020	The bottle top is fitted with  0.2 micron PES membrane
Disposable sterile bottles 250 mL	Corning	430281	A larger or smaller bottle may be used
1.5 mL microcentrifuge tubes			No specific manufacturer, as long as they are DNAse and RNAse-free
0.2 mL PCR tubes			No specific manufacturer, as long as they are DNAse and RNAse-free
Micropipets			No specific manufacturer
Pipet tips (non filter) of appropriate sizes			No specific manufacturer, as long as they are DNAse and RNAse-free
Name of Equipment
Plate reader	Biotek Synergy H1		Plate readers from other manufacturers would work equally well