Abstract (English)
Since their discovery by Bangham et al. in 1964, liposomes have proven to be versatile tools ubiquitously used in various fields of research most prominently in (bio)analytical chemistry and pharmaceutical sciences. In both cases their capability of transporting an enormous amount of small marker molecules inside their inner cavity is exploited. This renders them to be high-performing signal amplification tools especially in analytical applications. Highly stable anionic liposomes function as labels for various kinds of sensing formats such as microtiter plates, lateral flow assays or microfluidic devices. However, liposomes do not achieve their true signal amplification potential which theoretically could lead to signal enhancement by a factor of 10^6. This is caused in part by their size and consequently steric hindrance and lower diffusion coefficients. Most importantly though, it is caused by non-specific binding that is a challenge in any analytical assay, as it reduces the signal-to-noise ratio and thus worsens the limit of detection. Therefore, fundamental understanding of the surface interactions is mandatory. This becomes increasingly important for approaches with high surface-to-volume ratios such as point-of-care devices using microfluidic sample handling. The groups of Viitala, Reviakine, Richter and Brisson, and Kasemo intensively studied the behavior of liposomes on surfaces with quartz crystal microbalance, atomic force microscopy as well as surface plasmon resonance (SPR) (as described in detail in Chapter 2). However, they did neither focus on the established liposome formulation used in most of (bio)analytical applications, nor on the typical surface modifications encountered in such approaches. In order to fill this knowledge gap, SPR spectroscopy was applied here for a systematic study of the interactions of anionic liposomes with long-chain alkane thiol modified gold surfaces of varying surface charge and hydrophilicity that are most commonly used in sensing applications. It was found that the recorded binding curves can be well-fitted to the Langmuir models. Also, almost no cooperative binding effects were observable indicating that the liposome – sensor surface interactions are predominant in comparison to the interactions between the liposomes themselves. This was proven for the (bio)analytical relevant temperature range from 25 to 50 °C. Further, the study revealed that the combination of liposomes with highly negative surface charge and sensor surfaces modified with either hydrophobic terminal –CH3 groups or hydrophilic terminal –COOH groups showed almost no binding, whereas the adhesion to –OH and –NH2 was significant. This knowledge enables clever surface engineering strategies as an attractive alternative to the commonly used bulk-blocking through polymers and proteins and assists significantly improving (bio)analytical applications using liposomes as signal enhancement tools.
Based on these findings, a tunable signal amplification strategy for SPR based on liposomes encapsulating high refractive index solutions was developed. So far liposomes have been utilized seldom for the enhancement of the SPR technique. In general, SPR spectroscopy is a label-free method for online monitoring of binding events, but has certain limitations when it comes to the direct detection of very small refractive index changes, e. g. those caused by small molecules (< 400 Da) or very low analyte concentrations. Therefore, an additional binding event by an enhancement tag is required to amplify the SPR signal. Here, gold and magnetite nanoparticles (NPs) have been described previously, because the localized surface plasmons generated by the Au NPs and the high refractive index and surface mass loading of the magnetite NPs significantly enhance the SPR performance. However, these materials show distinct drawbacks regarding colloidal stability, ease of surface modification or adjustability of the enhancement factor (EF). The results of the present studies showed that liposomes are an ideal choice to overcome these limitations. The binding of streptavidin to a biotinylated SPR surface resulted in very small signal changes that were immensely enhanced and made detectable by liposomes. The enhancement factor strongly depended on the refractive index of the encapsulant solution and therefore can be tuned to the respective need of the analytical task. A maximum EF of 23 was obtained when using 500 mM sucrose solution inside the liposomes leading to an improvement of the limit of detection from 10 nM to 320 pM streptavidin with a much higher sensitivity of 3 mRIU (refractive index units) per logarithmic unit of the concentration between 500 pM and 10 nM. This work demonstrated the great promise of liposome-mediated SPR signal enhancement and showed its applicability and versatility for the development of new SPR-based chemo- and biosensors.
Translation of the abstract (German)
Seit ihrer Entdeckung durch Bangham et al. im Jahr 1964, taten sich Liposomen als vielseitige Werkzeuge hervor, die überall in verschiedensten Forschungsbereichen, vor allem in der (bio)analytischen Chemie und der Pharmazie, eingesetzt werden. In beiden Teilbereichen wird ihre Fähigkeit ausgenutzt, riesige Mengen kleiner Markermoleküle in ihrem Inneren zu transportieren. Besonders bei ...
Translation of the abstract (German)
Seit ihrer Entdeckung durch Bangham et al. im Jahr 1964, taten sich Liposomen als vielseitige Werkzeuge hervor, die überall in verschiedensten Forschungsbereichen, vor allem in der (bio)analytischen Chemie und der Pharmazie, eingesetzt werden. In beiden Teilbereichen wird ihre Fähigkeit ausgenutzt, riesige Mengen kleiner Markermoleküle in ihrem Inneren zu transportieren. Besonders bei analytischen Anwendungen macht sie das sehr effizient für die Signalverstärkung. Hochstabile anionische Liposomen werden als Label in zahlreichen Plattformen wie z.B. in Mikrotiterplatten, bei Lateral Flow Assays oder in der Mikrofluidik eingesetzt. Sie erreichen jedoch nicht ihr wahres Signalverstärkungspotential, das in der Theorie zu Verstärkungsfaktoren von 10^6 führen könnte. Dies ist zum Teil auf ihre Größe zurückzuführen, mit der sterische Hinderung und niedrigere Diffusionskoeffizenten einhergehen. Hauptsächlich ist aber nicht-spezifische Bindung die Ursache, die eine Herausforderung für alle analytischen Assays darstellt, da sie das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Nachweisgrenze verschlechtert. Deshalb ist ein grundsätzliches Verständnis von den Wechselwirkungen mit Oberflächen obligatorisch. Die Bedeutung nimmt noch weiter bei Anwendungen mit hohem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu, wie dies in der Point-of-Care-Diagnostik der Fall ist, die oft Mikrofluidik verwendet. Wie detailliert in Kapitel 2 beschrieben, untersuchten die Forschungsgruppen um Viitala, Reviakine, Richter und Brisson, und Kasemo intensiv das Verhalten von Liposomen auf Oberflächen mithilfe der Quarzkristallmikrowaage, der Rasterkraftmikroskopie und auch der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) – Spektroskopie. Sie richteten ihre Aufmerksamkeit jedoch weder auf die bewährte Liposomformulierung, die in den meisten (bio)analytischen Anwendungen genutzt wird, noch auf die typischen Oberflächenmodifizierungen, die man bei diesen verwendet. Um diese Erkenntnislücke zu füllen, wurde hier eine systematische Studie mit SPR – Spektroskopie durchgeführt, die die Wechselwirkung von anionischen Liposomen mit Goldoberflächen untersucht, die mit langkettigen Alkylthiolen mit unterschiedlicher Polarität und Hydrophilie modifiziert wurden, wie sie weit verbreitet in der Analytik eingesetzt werden. Es stellte sich heraus, dass die aufgenommenen Bindungskurven sehr gut mit dem Langmuir-Modell angepasst werden konnten. Zusätzlich konnten kaum kooperative Bindungseffekte beobachtet werden, was darauf deutet, dass die Wechselwirkung von Liposom und Sensoroberfläche im Vergleich zu den Wechselwirkungen der Liposomen untereinander klar überwiegt. Dies konnte für den (bio)analytisch relevanten Temperaturbereich zwischen 25 und 50 °C gezeigt werden. Des Weiteren offenbarte die Studie, dass die Kombination von Liposomen mit hoher, negativer Oberflächenladung und Sensoroberflächen, die entweder mit einer hydrophoben –CH3 Endgruppe oder einer hydrophilen –COOH Endgruppe modifiziert wurden, so gut wie keine Bindung zuließ, während eine deutliche Adsorption zu –OH und –NH2 beobachtet werden konnte. Diese Erkenntnis ermöglicht clevere Strategien zur Oberflächengestaltung, die als attraktive Alternative zum häufig eingesetzten Blocken mit Polymeren und Proteinen dienen kann und unterstützt die Verbesserung von (bio)analytischen Anwendungen, die Liposomen als Signalverstärker verwenden, bedeutend.
Auf diesen Ergebnissen aufbauend, wurde ein einstellbares Signalverstärkungsprinzip für SPR entwickelt, das auf der Verwendung von Liposomen basiert, welche mit Lösungen mit hohem Brechungsindex gefüllt sind. Bis dato wurden diese nur selten für Verbesserung der SPR – Technik eingesetzt. Grundsätzlich ist die SPR Spektroskopie eine labelfreie Methode, die es erlaubt, Bindungsereignisse in Echtzeit zu verfolgen, erreicht aber ihre Grenzen, wenn sehr kleine Brechungsindexänderungen direkt bestimmt werden sollen, wie es z.B. bei kleinen Molekülen (< 400 Da) oder sehr niedrigen Analytkonzentrationen der Fall ist. Deshalb wird häufig ein zusätzlicher Bindungsschritt mit einem Verstärkungslabel benötigt, das das SPR Signal erhöht. Hierbei bewährten sich bisher Gold und Magnetit Nanopartikel (NPs), da die lokalisierten Oberflächenplasmonen der Au NPs sowie der hohe Brechungsindex und Oberflächenbelegung der Magnetit NPs die Leistungsfähigkeit des SPR deutlich verbessern können. Allerdings zeigen diese Materialien klare Nachteile in Bezug auf kolloidaler Stabilität, der Komplexität der Oberflächenmodifizierung und der Regulierbarkeit des Verstärkungsfaktors (VF). Die Ergebnisse der hierin enthaltenen Studien zeigten, dass Liposomen die ideale Wahl sind, um jene Limitierungen zu überwinden. Streptavidin, das an eine biotinylierte SPR Oberfläche bindet, rief nur sehr geringe Signaländerungen hervor, die durch den Einsatz von Liposomen immens verstärkt und damit detektierbar gemacht wurden. Der Verstärkungsfaktor hing stark vom Brechungsindex der eingekapselten Lösung ab und kann dadurch an die entsprechenden Anforderungen einer analytischen Fragestellung angepasst werden. Bei der Verwendung von 500 mM Saccharoselösung innerhalb der Liposomen war ein maximaler VF von 23 möglich, der zu einer Verbesserung der Nachweisgrenze von Streptavidin von 10 nM auf 320 pM führte, wobei eine viel höhere Sensitivität von 3 mRIU (RIU = Brechungsindexeinheiten) pro logarithmischer Einheit der Konzentration zwischen 500 pM und 10 nM erreicht werden konnte. Diese Arbeit stellte das große Potential von Liposom-basierter SPR – Signalverstärkung heraus und zeigte seine Anwendbarkeit und Vielseitigkeit für die Entwicklung neuer Chemo- und Biosensoren mit SPR – Detektion.
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