Synthesis of haptens and production of antibodies to bisphenol A

Abstract

Three immunizing haptens of bisphenol A (BPA), including two new haptens, were used to produce highly sensitive and specific polyclonal antibodies. The spacer arms of haptens for coupling to the protein carrier were located at different positions in BPA, and different length spacer arms were tested. Highly sensitive polyclonal antibodies were obtained and characterized using indirect competitive enzyme-linked immunosorbent assay (icELISA). Under optimized conditions, the half maximal inhibitory concentration (IC₅₀) value of the best polyclonal antibody was 2.1 mg·L⁻¹, based on coating heterogeneous antigens, and this optimal polyclonal antibody was highly sensitive toward BPA and displayed negligible cross-reactivity with bisphenol B and bisphenol E. A sensitive icELISA method utilizing the polyclonal antibody was developed for the determination of BPA in milk. In spiked samples (5, 10 and 20mg·L⁻¹), the recovery ranged from 80% to 102% with a coefficient of variation (CV) value below 15.8%. The limit of detection of icELISA was 1.95mg·L⁻¹. These results indicate that the icELISA method is suitable for the detection of BPA in milk.

Keywords

bisphenol A / cross-reactivity / hapten / indirect competitive ELISA / polyclonal antibody

References

[1] Kim A, Li C R, Jin C F, Lee K W, Lee S H, Shon K J, Park N G, Kim D K, Kang S W, Shim Y B, Park J S. A sensitive and reliable quantification method for bisphenol A based on modified competitive ELISA method. Chemosphere, 2007, 68(7): 1204–1209

[2] Choi K C, Jeung E B. The biomarker and endocrine disruptors in mammals. Journal of Reproduction and Development, 2003, 49(5): 337–345

[3] Iso T, Watanabe T, Iwamoto T, Shimamoto A, Furuichi Y. DNA damage caused by bisphenol A and estradiol through estrogenic activity. Biological & Pharmaceutical Bulletin, 2006, 29(2): 206–210

[4] Diel P, Schulz T, Smolnikar K, Strunck E, Vollmer G, Michna H. Ability of xeno- and phytoestrogens to modulate expression of estrogen-sensitive genes in rat uterus: estrogenicity profiles and uterotropic activity. Journal of Steroid Biochemistry, 2000, 73(1–2): 1–10

[5] Steinmetz R, Mitchner N A, Grant A, Allen D L, Bigsby R M, Ben-Jonathan N. The xenoestrogen bisphenol A induces growth, differentiation, and c-fos gene expression in the female reproductive tract. Endocrinology, 1998, 139(6): 2741–2747 

[6] Markey C M, Rubin B S, Soto A M, Sonnenschein C. Endocrine disruptors: from Wingspread to environmental developmental biology. Journal of Steroid Biochemistry, 2002, 83(1–5): 235–244

[7] Rudel R A, Brody J G, Spengler J C, Vallarino J, Geno P W, Sun G, Yau A. Identification of selected hormonally active agents and animal mammary carcinogens in commercial and residential air and dust samples. Journal of the Air & Waste Management Association, 2001, 51(4): 499–513

[8] Behnisch P A, Fujii K, Shiozaki K, Kawakami I, Sakai S. Estrogenic and dioxin-like potency in each step of a controlled landfill leachate treatment plant in Japan. Chemosphere, 2001, 43(4–7): 977–984

[9] Fürhacker M, Scharf S, Weber H. Bisphenol A: emissions from point sources. Chemosphere, 2000, 41(5): 751–756

[10] Meesters R J W, Schroder H F. Simultaneous determination of 4-nonylphenol and bisphenol A in sewage sludge. Analytical Chemistry, 2002, 74(14): 3566–3574

[11] Inoue K, Kato K, Yoshimura Y, Makino T, Nakazawa H. Determination of bisphenol A in human serum by high-performance liquid chromatography with multi-electrode electrochemical detection. Journal of Chromatography. B, Biomedical Sciences and Applications, 2000, 749(1): 17–23

[12] De Meulenaer B, Baert K, Lanckriet H, Van Hoed V, Huyghebaert A. Development of an enzyme-linked immunosorbent assay for bisphenol A using chicken immunoglobulins. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2002, 50(19): 5273–5282

[13] Lu Y, Peterson J R, Gooding J J, Lee N A. Development of sensitive direct and indirect enzyme-linked immunosorbent assays (ELISAs) for monitoring bisphenol A in canned foods and beverages. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2012, 403(6): 1607–1618

[14] Maiolini E, Ferri E, Pitasi A L, Montoya A, Di Giovanni M, Errani E, Girotti S. Bisphenol A determination in baby bottles by chemiluminescence enzyme-linked immunosorbent assay, lateral flow immunoassay and liquid chromatography tandem mass spectrometry. Analyst (London), 2014, 139(1): 318–324

[15] Moreno M J, D’Arienzo P, Manclus J J, Montoya A. Development of monoclonal antibody-based immunoassays for the analysis of bisphenol A in canned vegetables. Journal of Environmental Science and Health. Part. B, Pesticides, Food Contaminants, and Agricultural Wastes, 2011, 46(6): 509–517

[16] Ohkuma H, Abe K, Ito M, Kokado A, Kambegawa A, Maeda M. Development of a highly sensitive enzyme-linked immunosorbent assay for bisphenol A in serum. Analyst, 2002, 127(1): 93–97

[17] Wu X L, Wang L B, Ma W, Zhu Y Y, Xu L G, Kuang H, Xu C L. A simple, sensitive, rapid and specific detection method for bisphenol A based on fluorescence polarization immunoassay. Immunological Investigations, 2012, 41(1): 38–50

[18] Zhao M P, Li Y Z, Guo Z Q, Zhang X X, Chang W B. A new competitive enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for determination of estrogenic bisphenols. Talanta, 2002, 57(6): 1205–1210

[19] Wang Z H, Liu M X, Shi W M, Li C L, Zhang S X, Shen J Z. New haptens and antibodies for ractopamine. Food Chemistry, 2015, 183: 111–114

[20] Nishi K, Takai M, Morimune K, Ohkawa H. Molecular and immunochemical characteristics of monoclonal and recombinant antibodies specific to bisphenol A. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 2003, 67(6): 1358–1367

[21] O’Keeffe M, Crabbe P, Salden M, Wichers J, Van Peteghem C, Kohen F, Pieraccini G, Moneti G. Preliminary evaluation of a lateral flow immunoassay device for screening urine samples for the presence of sulphamethazine. Journal of Immunological Methods, 2003, 278(1–2): 117–126

[22] Jiang W X, Luo P J, Wang X, Chen X, Zhao Y F, Shi W, Wu X P, Wu Y N, Shen J Z. Development of an enzyme-linked immunosorbent assay for the detection of nitrofurantoin metabolite, 1-amino-hydantoin, in animal tissues. Food Control, 2012, 23(1): 20–25

[23] Wang J J, Liu B H, Hsu Y T, Yu F Y. Sensitive competitive direct enzyme-linked immunosorbent assay and gold nanoparticle immunochromatographic strip for detecting aflatoxin M₁ in milk. Food Control, 2011, 22(6): 964–969

[24] Zhang X, Wen K, Wang Z, Jiang H, Beier R C, Shen J. An ultra-sensitive monoclonal antibody-based fluorescent microsphere immunochromatographic test strip assay for detecting aflatoxin M₁ in milk. Food Control, 2016, 60(2): 588–595

[25] Goodrow M H, Hammock B D, Goodrow M H, Hammock B D. Hapten design for compound-selective antibodies: ELISAs for environmentally deleterious small molecules. Analytica Chimica Acta, 1998, 376(1): 83–91

[26] Goodrow M H, Sanborn J R, Stoutamire D W, Gee S J, Hammock B D. Strategies for immunoassay hapten design. ACS Symposium Series, 1995, 586: 119–139

[27] Lei H T, Shen Y D, Song L J, Yang J Y, Chevallier O P, Haughey S A, Wang H, Sun Y M, Elliott C T. Hapten synthesis and antibody production for the development of a melamine immunoassay. Analytica Chimica Acta, 2010, 665(1): 84–90

[28] Kim Y J, Cho Y A, Lee H S, Lee Y T, Gee S J, Hammock B D. Synthesis of haptens for immunoassay of organophosphorus pesticides and effect of heterology in hapten spacer arm length on immunoassay sensitivity. Analytica Chimica Acta, 2003, 475(1–2): 85–96

[29] Kaddar N, Bendridi N, Harthé C, de Ravel M R, Bienvenu A L, Cuilleron C Y, Mappus E, Pugeat M, Déchaud H. Development of a radioimmunoassay for the measurement of Bisphenol A in biological samples. Analytica Chimica Acta, 2009, 645(1–2): 1–4

[30] Yang F, Xu L, Zhu L, Zhang Y, Meng W, Liu R. Competitive immunoassay for analysis of bisphenol A in children’s sera using a specific antibody. Environmental Science and Pollution Research International, 2016, 23(11): 10714–10721

[31] Huang P, Zhao S, Eremin S A, Zheng S, Lai D, Chen Y, Guo B. Fluorescence polarization immunoassay method for bisphenol A residue in environmental water samples based on monoclonal antibody and 4′-(aminomethyl) fluorescein. Analytical Methods, 2015, 7(10): 4246–4251

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31622057).

Compliance with ethics guidelines

Xiya Zhang, Xiaoyun Dong, Sijun Zhao, Kai Wen, Suxia Zhang, Zhanhui Wang, and Jianzhong Shen declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

All applicable institutional and national guidelines for the care and use of animals were followed.

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. Published by Higher Education Press. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)