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ナノセンサーに結合された光ファイバインターフェース。タンパク質の凝集と有機分子の定量化への応用
A Fiber Optic Interface Coupled to Nanosensors: Applications to Protein Aggregation and Organic Molecule Quantification.
PMID: 32667777 DOI: 10.1021/acsnano.0c03417.
抄録
蛍光ナノセンサーは、バイオ医薬品産業における分析上の課題を解決することが期待されています。凝集のような治療用タンパク質の重要な品質属性のモニタリングは、低い検出限界と異なる製品パラメータの多重化を必要とする長年の課題です。しかし、ナノセンサーをバイオ医薬品プロセスに接続するための一般的なアプローチは、今日までほとんど検討されていません。ここでは、感度、応答時間、および安定性を測定し、迅速なプロセスモニタリングへのアプリケーションのための統合された光ファイバ・ナノセンサー要素を設計し、製造します。ファイバーオプティック-ナノセンサーインターフェース（オプトダイオード）は、繊維導波路の端に取り付けられた保護された多孔性のヒドロゲル内に埋め込まれたラベルフリーのnIR蛍光単層カーボンナノチューブトランスデューサで構成されています。この光学式プラットフォームは、ヒト免疫グロブリンGの凝集状態を区別することができ、5分以内の分析時間で、それぞれ5.6と9.6 nmのサイズのモノマーと二量体の凝集体の相対的な割合を報告することが示されています。高い機械的柔軟性を持つ3Dプリントされた小型センサーチップを組み込むことで、アットラインでのモニタリングが可能なラボオンファイバー設計を紹介します。レーザー励起の変動を並行して測定することで、低品質のレーザーを使用した場合の強度の正規化とノイズレベルの大幅な低減（3.7倍向上）が可能となり、プラットフォームの費用対効果を向上させることができます。アプリケーションとして、タンパク質とその凝集状態に加えて、セロトニン、ノルエピネフリン、アドレナリン、過酸化水素を含む様々なバイオアナリティクスを迅速にモニタリングするための完全に統合されたラボ・オン・ファイバーシステムの能力を実証しています。これらの結果を総合すると、工業プロセスモニタリングのアプリケーションのためのナノセンサーベースのトランスデューサーのための効果的なフォームファクタを構成しています。
Fluorescent nanosensors hold promise to address analytical challenges in the biopharmaceutical industry. The monitoring of therapeutic protein critical quality attributes such as aggregation is a longstanding challenge requiring low detection limits and multiplexing of different product parameters. However, general approaches for interfacing nanosensors to the biopharmaceutical process remain minimally explored to date. Herein, we design and fabricate a integrated fiber optic nanosensor element, measuring sensitivity, response time, and stability for applications to the rapid process monitoring. The fiber optic-nanosensor interface, or optode, consists of label-free nIR fluorescent single-walled carbon nanotube transducers embedded within a protective yet porous hydrogel attached to the end of the fiber waveguide. The optode platform is shown to be capable of differentiating the aggregation status of human immunoglobulin G, reporting the relative fraction of monomers and dimer aggregates with sizes 5.6 and 9.6 nm, respectively, in under 5 min of analysis time. We introduce a lab-on-fiber design with potential for at-line monitoring with integration of 3D-printed miniaturized sensor tips having high mechanical flexibility. A parallel measurement of fluctuations in laser excitation allows for intensity normalization and significantly lower noise level (3.7-times improved) when using lower quality lasers, improving the cost effectiveness of the platform. As an application, we demonstrate the capability of the fully-integrated lab-on-fiber system to rapid monitoring of various bioanalytes including serotonin, norepinephrine, adrenaline, and hydrogen peroxide, in addition to proteins and their aggregation states. These results in total constitute an effective form factor for nanosensor based transducers for applications in industrial process monitoring.