JP4917883B2 - 核酸の増幅および検出装置 - Google Patents
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Description
例えば、DNAまたはRNA分子の形態で、且つ蛍光基によって標識されている標的分子をマイクロアレイの核酸に結合するための前提条件は、標的分子とプローブ分子との両方が1本鎖核酸の形態で存在することである。効率的かつ特有のハイブリッド形成は、このような分子間でしか発生し得ない。1本鎖核酸標的分子および核酸プローブ分子は通常、熱変性と、螺旋不安定分子の温度、イオン強度、および濃度のようなパラメータの最適な選択とを使用して得られる。したがって、ほぼ完全な相補性を有するプローブ、即ち互いに密接に対応する配列を有するプローブのみが標的配列と対をなすことが保証される(A.A.リーチ、T.シュヴァルツアッハー、D.ジャクソン、I.J.リーチ(A.A.Leitch、T.Schwarzacher、D.Jackson、I.J.Leitch)、1994年、In vitro Hybridisierung、Spektrum Akademischer Verlag、Heidelberg/Berlin/Oxford)。
分子相互作用を検出する古典系は、蛍光標識されてスペクトル的に励起された標的分子の蛍光強度の比較結果に基づく。蛍光とは、特定の波長の光により励起されたときに自ら光を放出する特定の分子の能力である。この場合、特性吸収および放出挙動が続いて生じる。分析では、例えば、標的分子とプローブ分子との間の分子間相互作用の効率が高まることで、官能化表面の標識された分子密度が増加するのと比例して、蛍光信号が増加すると仮定される。
a)物体が可動テーブル上で静止レーザを横切る方向に移動する。ここで、レーザは不作動位置にある。
c)可動レーザビームが物体を横切る方向に移動する。ここで、物体は不作動位置にある。
共焦点走査系は、例えば米国特許第5,304,810号明細書に記載されているように、2つのピンホールを用いて、光軸に沿った蛍光信号を選択することに基づいている。このため、試料に対する調節の複雑度が高く、且つ効果的なオートフォーカスシステムがそれぞれ確立される。このようなシステムは、技術的実装に関して非常に複雑である。レーザ、ピンホール、例えばPMTのような状況に応じて冷却される検出器、アバランシェダイオードまたはCCD、複雑で非常に正確な機械式平行移動要素、および光学系などの必要な構成要素は最適な形で調整されなければならず、相当の労力を要する(例えば、米国特許第5,459,325号明細書、米国特許第5,192,980号明細書、米国特許第5,834,758号明細書を参照)。小型化の程度と価格は、構成要素の種類および機能によって制限される。
代替構成要素の選択の幅が広がって入手しやすくなれば、固形物に結合されている分析の蛍光偏光および時間分解蛍光法などの代替撮像技術の確立が促進される。しかし、特に高集積アレイに対するこのような解決法は、現在まで概念の形でしか存在していない。偏光方式で励起された蛍光プローブを用いて偏光軸をねじる効果を使用して、マイクロウェルフォーマットでの定量が行われる。さらに、高スループットを有する安価なシステム(HTSシステム)を、それに応じて修正されたポリマーフォイルを偏光フィルタとして用いて組み付ける提案がある(I.グリジンスキら(I.Gryczcynski et al.)「Polarisation sensing with visual detection」Anal.Chem.1999年、71、1241〜1251ページを参照)。しかし、現在利用可能な光量および検出器では、マイクロアレイの実装が困難になる。このような装置では、光源(例えば、レーザ、LED、高圧ランプ)、偏光フィルタ(場合によってはコーティングポリマー箔)、および検出器(CCD、CMOSカメラ)が必要になり、これまでに対応する解決方法は知られていない。
しかし、単なる増幅を用いた核酸の特徴付けは不可能である。むしろ、増幅の後にPCR生成物の特徴付けのために、核酸配列決定、ハイブリッド形成、および/または電気泳動分離および単離法のような分析方法を使用することが必要である。
例えば、蛍光標識プライマーの形で検出可能なマーカーが、ハイブリッド形成を用いてPCR増幅およびその検出を組み合わせた方法で検出する核酸分子または検出する標的分子内に挿入される場合、通常は、実際の検出前に洗浄工程が行われる。このような洗浄工程は、増幅生成物と比較して豊富に存在する非転換プライマーを除去するだけでなく、検出反応に関与しない、および/または特にマイクロアレイの核酸プローブとハイブリッドを形成しない蛍光マーカーを有するヌクレオチドを除去するために使用される。この方法で、これらの分子によって引き起こされる高レベルの信号バックグラウンドが低減される。しかし、このような追加手順工程は、検出方法を大幅に遅延させる。さらに、検出可能な信号は、マイクロアレイの核酸プローブと特にハイブリッドを形成する検出する核酸についても著しく低減される。後者の大部分は、ハイブリッド形成により結合されている標的と溶液中にある標的との間の平衡状態が洗浄工程の後にはもはや存在しなくなるという事実に基づく。アレイ上の核酸とハイブリッドを既に形成している核酸は、洗浄により結合部位から置換され、したがって溶液中の分子とともに洗い流される。要するに、溶液中の分子の洗浄工程またはすすぎ工程が、既にハイブリッド形成されている核酸の置換よりも高速に実行される場合にのみ、検出可能な信号が維持される。
さらに、1つの反応室において、例えばハイブリッド形成反応のようなPCRおよび分析反応を行うことができる装置が必要である。
特に、本発明の基本的な問題は、プローブアレイ上のプローブと標的との間の分子相互作用を非常に正確に、且つ高い感度により、更に使い易くてコスト効率の高い方法で、定性的および/または定量的に検出することができる方法および/または装置を提供することである。
さらに、本発明の基本的な問題は、高いスループット率で核酸のほぼ同時の増幅および特徴付けを可能にする装置を提供することである。
具体的には、本発明の範囲内で提供される試料中の核酸の増幅、並びに定性的および定量的検出のための方法は、以下の工程を含む。
b)循環増幅反応方法を用いて反応室内で検出される核酸を増幅する工程と、
c)基板上で固定化された核酸とハイブリッドを形成しない分子を反応室から除去することなく、検出される核酸と基板上に固定化された核酸プローブとの間のハイブリッド形成を検出する工程。
核酸の増幅およびその検出のための本発明に係る方法は、実験者による介入が可能な限り少なくて済むように設計される。このため、汚染がそれにより回避されるという重要な利点がある。さらに、本発明に係る方法が外部介入を最小限に留めていることから自動化に対応可能であり、本発明に係る方法の再現性は従来の方法に比べて本質的に高められる。上述の利点は、診断方法の承認に関して重要な役割を果たす。
a)温度制御および/または調整ユニット、
b)室担体とマイクロアレイとの間に形成される反応室であって、マイクロアレイは核酸プローブがアレイ要素上に固定化された基板を備え、反応室内の温度が前記温度制御および調整ユニットによって制御および/または調整可能であり、検出される核酸と基板上に固定化された核酸プローブとの間のハイブリッド形成が、基板上で固定化された核酸とハイブリッドを形成しない分子を反応室から除去することなく装置を用いて検出され得る。
本発明の他の態様では、問題は、少なくとも1つの温度制御および/または調整ユニットを備える核酸の増幅および検出装置、プローブ物質ライブラリが固定化されている検出領域を備える反応室、好ましくは検出領域上の析出形成の時間依存挙動を検出可能な光学系を提供することにより、本発明に従って解決される。
最後に、他の態様は、基板の所定の領域上に分子プローブが固定化されているマイクロアレイを製造するためのセラミック材料から本質的に形成されている基板の使用に関係する。
本発明の範囲内において、プローブ、プローブ分子、または分子プローブは、特定の特徴的結合挙動および/または特定の反応性による他の分子の検出に使用される分子を表すものと理解される。固体表面に結合可能で、且つ特異親和性を有する各種分子は、アレイ上に適切に配置されたプローブとして使用されることができる。好ましい実施形態において、これらはペプチド、タンパク質、核酸、および/またはそれらの類似物の群からの生重合体である。特に好ましくは、プローブは核酸および/または核酸類似物である。
本発明の範囲内において、室担体は、反応室の底を形成する固形物を表すものと理解される。好ましくは、室担体は、基板の反対側または物質ライブラリ担体の反対側に配置される。本発明に係る装置の代替実施形態において、室担体はまた、同時に基板および/または物質ライブラリ担体である。
本発明の範囲内において、試料または試料溶液は、増幅および/または検出される核酸分子とともに分析される液体である。
本発明の範囲内において、増幅生成物は、循環増幅反応、好ましくはPCRを用いて増幅される核酸分子の増強または増殖もしくは増幅から得られる生成物を表す。PCRを用いて増幅される核酸分子はPCR生成物とも呼ばれる。
相補1本鎖核酸分子からの2本鎖核酸分子または2本鎖分子の形成は、ハイブリッド形成と呼ばれる。ここで、この関連性は、好ましくは常にAおよびTとGおよびCとの対として起こる。ハイブリッド形成の範囲内において、例えばDNA−DNA2本鎖、DNA−RNA2本鎖、またはRNA−RNA2本鎖が形成されることができる。ハイブリッド形成を用いて核酸類似物による2本鎖も形成可能であり、例えばDNA−PNA2本鎖、RNA−PNA2本鎖、DNA−LNA2本鎖、およびRNA−LNA2本鎖である。ハイブリッド形成の実験は通常、配列相補性、したがって2つの異なる核酸分子の識別を検出するために使用される。
a)温度制御および/または調整ユニットと、
b)化合物ライブラリが固定化される検出領域を有する担体を含む反応室であって、温度制御および調整ユニットを用いて反応室内の温度が制御および/または調整可能であることと、
c)検出領域上の析出形成の時間依存挙動を検出可能な光学系。
本発明に係る装置では、核酸標的/核酸プローブ複合体の温度依存溶融挙動も更に調査可能である。
電極は、例えば金−チタン電極の形態、特に4極の形態で実装され得る。
温度上昇手段は、好ましくは、毛細管ギャップ内の液体の高速加熱および冷却が可能なように選択されることができる。ここで、高速加熱および冷却は、温度上昇手段により0.2K/sから30K/sの範囲、好ましくは0.5K/sから15K/sの範囲、特に好ましくは2K/sから15K/sの範囲、および最も好ましくは8K/sから12K/sの範囲、または約10K/sの温度変化を媒介可能であることを表すものと理解される。好ましくは、1K/sから10K/sの温度変化も温度上昇手段により媒介されることができる。
温度センサ、温度上昇手段、ならびに電極の仕様および寸法の詳細については、国際特許出願公開第01/02094号パンフレットの内容を参照する。
チップの検出領域上の析出形成の時間依存挙動を検出可能な光学系は、好ましくは2次元読取可能検出器を備える。好ましくは、検出器はカメラ、特にCCDまたはCMOSカメラまたは類似のカメラである。電気的画像変換器、例えばCCDまたはCMOSチップなどを備えるカメラを使用することにより、高い局所分解能が実現可能である。
また、走査型検出器は、チップの読み出しにも使用されることができる。走査型点光源および/または走査型検出器の使用において、本発明に係る装置は、光の方向設定用の可動光学構成要素および/または反応室の取り付け用の可動機械構成要素を備え、これにより、走査される個々の位置、即ち各測定点に対する各構成要素の方向決めが保証される。この実施形態において、画像記録は、各測定点からの画像の計算による再構成を用いて実行される。特に、この実施形態のカメラは可動ラインカメラである。
コンペティタとして使用される核酸分子または核酸類似物の配列に応じて、PCR反応の範囲内における2つのテンプレート鎖のうちの1つの増幅を抑制することは、異なるメカニズムに基づく。DNA分子の例を用いて、このことについて以下に説明する。
a)上記のように本発明に係る装置を準備する工程、
b)検出される核酸と検出領域に固定化された物質ライブラリとを相互作用させる工程、および
c)前記相互作用を検出する工程。
好ましくは、標的は、検出および定量化の前に本発明の方法により分離され、精製され、複写され、および/または増幅される。
上記のように、標的またはプローブに結合されている標識は、好ましくは、検出可能ユニットまたはアンカー基を介して標的またはプローブに結合されている検出可能ユニットである。検出および/または標識付けの可能性に関して、本発明に係る方法は非常に柔軟性が高い。したがって、本発明に係る方法は、様々な物理的、化学的、または生化学的検出方法と親和性がある。唯一の前提条件は、検出されるユニットまたは構造が、プローブまたは標的、例えばオリゴヌクレオチドに直接結合可能であるか、および/またはオリゴヌクレオチドと結合可能なアンカー基を介して連鎖可能であるということである。
本発明に係る方法の一実施形態において、標的は、可溶性基板または抽出物から不溶性生成物への転換を触媒する触媒、好ましくは酵素を備える。この場合、アレイ要素で析出形成が生じる反応は、標的の1つに結合された触媒、好ましくは酵素の存在下での可溶性基板または抽出物から不溶性生成物への転換である。好ましくは、酵素は、ホースラディシュペルオキシダーゼ、アルカリホスファターゼ、およびブドウ糖酸化酵素からなる群から選択される。可溶性基板または抽出物は、好ましくは3,3’−ジアミノベンジジン、4−クロロ−1−ナフトール、3−アミノ−9−エチルカルバゾール、p−フェニレンジアミン−HCl/ピロカテコール、3,3’,5,5’−テトラメチルベンジジン、ナフトール/ピロニン、ブロモ−クロロ−インドイル−リン酸塩、ニトロブルーテトラゾリウム、およびフェナジンメトサルフェートからなる群から選択される。例えば、無色の可溶性水素供与体、例えば3,3’−ジアミノベンジジンは、過酸化水素の存在下で不溶性着色生成物に転換される。酵素ホースラディシュペルオキシダーゼは、水を形成しながら水素イオンを供与体から過酸化水素に転移する。
本発明の好ましい実施形態において、アレイ要素で析出形成に至る反応は、金属析出の形成である。特に好ましくは、アレイ要素で析出形成に至る反応は、元素銀を形成する銀化合物、好ましくは硝酸銀、乳酸銀、酢酸銀、または酒石酸銀の化学的還元である。ホルムアルデヒドおよび/またはヒドロキノンが、好ましくは還元剤として使用される。
ここで、Iは吸収後の光度であり、I0は吸収前の光度であり、aは銀析出物による面積単位b当たりの陰影部分を乗じた吸収係数である。光度Iおよび時間tは測定量として利用可能である。これらの測定量は、物質ライブラリで担体要素を照射し、カメラを用いて透過光を記録することにより得られる。この記録は、銀析出が実行される間に定期的に繰り返される。個々のライブラリ領域(スポット)の明度値は記録毎に評価され、それにより、各スポットの光度Iが維持される。標準ソフトウェア、例えばIconoClust(登録商標)(ドイツ、Clondiag,Jena)所在)などにより、これらの明度値は自動的に計算可能である。測定曲線は、I/I0を時刻tについてプロットすることにより得られる。方程式(I)に対応するランバート−ビアの法則は、以下のようにして、この方法で得られた時間依存銀析出配列に結びつけられることができる。
F=π*r2 (II)
1つのスポットについての面積要素当たりの析出速度は一定と仮定され得ることから、銀ビーズの半径rも一定速度で成長する。
銀析出物による面積単位b当たりの陰影部分は、面積単位当たりの銀ビーズの個数N、銀ビーズ当たりの陰影面積F、および定数kに比例する。
したがって、時刻tに依存する光度Iに対する関数は以下の式で計算される。
I=I0 *exp(−a’*t2) (IV)
ここで、a’は未知の複合銀吸収定数である。
I=I0 *exp(−a’H *t2) (V)
ここで、a’Hは不特定の銀吸収定数である。
Ii=I0i *(exp(−a’i *t2)+exp(−a’H *t2))+Oi (VI)
ここで、Oは装置関連オフセット値である。
I0およびOは、回帰を用いて他のパラメータとして決定されることができる。DNAライブラリの照明の不均一は、光度I0を用いて補正されることができる。また、後の時点で時間依存配列について記録された全ての更なる画像の平坦視野補正は、時刻t=0でDNAライブラリ全体の画像を介して行われることができる。パラメータOを用いることにより、測定の妥当性を推定することができる。
a)室担体とマイクロアレイとの間に形成される反応室に試料を挿入する工程であって、マイクロアレイは核酸プローブがアレイ要素上に固定化される基板を備えることと、
b)循環増幅反応を用いて反応室内で検出される核酸を増幅する工程と、
c)基板上で固定化された核酸プローブとハイブリッドを形成しない分子を反応室から除去することなく、検出される核酸と、基板上に固定化された核酸プローブとの間のハイブリッド形成を検出する工程とを備える。
好ましくは、検出される核酸は検出可能なマーカーを備える。特に好ましくは、検出可能なマーカーは蛍光マーカーである。アレイの核酸プローブとハイブリッドを形成しない溶液中の分子の信号、即ちバックグラウンドは、本発明に係る方法において特に毛細管ギャップの形態で、特に狭い反応室を使用することにより、核酸プローブとハイブリッドを形成する核酸の信号と比較して低く保たれることができる。反応室が好ましくは毛細管ギャップの形態で十分な狭さとなるように設計されている場合、プローブおよび標的の特異結合により引き起こされる標的分子の濃縮により、例えば反応室の容積全体を撮像する蛍光光学系を用いてマイクロアレイ上の信号が撮像されることもできる。
好ましくは、標的は検出および定量化の前に分離され、精製され、複写され、および/または増幅される。
上記のように、標的またはプローブに結合されている標識は、好ましくは検出可能ユニットまたはアンカー基を介して標的またはプローブに結合されている検出可能ユニットである。検出および/または標識付けの可能性に関して、本発明に係る方法は非常に柔軟性が高い。そのため、本発明に係る方法は、様々な物理的、化学的、または生化学的検出方法と親和性がある。唯一の前提条件は、検出されるユニットまたは構造が、プローブまたは標的、例えばオリゴヌクレオチドに直接結合可能であるか、および/またはオリゴヌクレオチドと結合可能なアンカー基を介して連鎖可能であることである。
酵素または金、特にナノ結晶金による生物試料の標識付けは十分に記載されている(特にF.ロトシュパイヒおよびH.ゾルバス(F.Lottspeich and H.Zorbas)、Bioanalytik、Spektrum Akademischer Verlag、Heidelberg、Berlin、1998年、E.リデルおよびI.ウィークス(E.Lidell and I.Weeks)、Antibody Technology、BIOS Scientific Publishers Limited、1995年を参照)。
本発明に係る方法の一実施形態において、標的は、可溶性基板または抽出物から不溶性生成物への転換を触媒する触媒、好ましくは酵素を備える。この場合、アレイ要素で析出形成が生じる反応は、標的の1つに結合された触媒、好ましくは酵素の存在下での可溶性基板または抽出物から不溶性生成物への転換である。好ましくは、酵素は、ホースラディシュペルオキシダーゼ、アルカリホスファターゼ、およびブドウ糖酸化酵素からなる群から選択される。可溶性基板または抽出物は、好ましくは3,3’−ジアミノベンジジン、4−クロロ−1−ナフトール、3−アミノ−9−エチルカルバゾール、p−フェニレンジアミン−HCl/ピロカテコール、3,3’,5,5’−テトラメチルベンジジン、ナフトール/ピロニン、ブロモ−クロロ−インドイル−リン酸塩、ニトロブルーテトラゾリウム、およびフェナジンメトサルフェートからなる群から選択される。例えば、無色の可溶性水素供与体、例えば3,3’−ジアミノベンジジンは、過酸化水素の存在下で不溶性着色生成物に転換される。酵素ホースラディシュペルオキシダーゼは、水を形成しながら水素イオンを供与体から過酸化水素に転移する。
本発明に係る方法のこの実施形態において、プローブ/標的相互作用の相対的定量化も実行可能である。析出物の検出を用いたプローブアレイ上の結合標的の濃度の相対的定量化は、標的と結合されている標識の濃度を介して実行され、これは可溶性基板の反応を触媒し、プローブ/標的相互作用が発生しているアレイ要素上に難溶性析出物が形成されるか、またはそのような反応の結晶核として作用する。例えばナノ金で標識され、且つHPLCにより精製されているオリゴヌクレオチドプローブの場合、結合標的と金粒子との比は1:1である。本発明の他の実施形態において、この比は1よりも大きいか、またはその分数でもよい。
コンペティタとして使用される核酸分子または核酸類似物の配列に応じて、PCR反応の範囲内における2つのテンプレート鎖のうちの1つの増幅を抑制することは、異なるメカニズムに基づく。DNA分子の例を用いて、このことについて以下に説明する。
本発明のこの態様において、装置は、温度制御および/または調整ユニットを備え、反応室は室担体とマイクロアレイとの間に形成され、マイクロアレイは核酸プローブがアレイ要素上に固定化された基板を備え、反応室内の温度は、温度制御および調整ユニットを用いて制御および/または調整されることができる。各核酸間のハイブリッド形成を検出することができ、基板上に固定化された核酸プローブを、基板上で固定化された核酸とハイブリッドを形成しない分子を反応室から除去することなく、装置を用いて検出することができるような装置が開発される。
更に好ましい実施形態において、蛍光光学系は、反応室の容積全体を撮像するシステムである。共焦点蛍光システムまたは消衰場励起を用いて検出を行うシステム(例えばBiosensors and Bioelectronics、18(2003年)489〜497ページを参照)と比較して、このようなシステムは操作が簡単で、且つコスト効率が高いという利点を有する。
また、走査型検出器は、チップの読み出しにも使用されることができる。走査型点光源および/または走査型検出器の使用において、本発明に係る装置は、光の方向設定用の可動光学構成要素および/または反応室の取り付け用の可動機械構成要素を備え、これにより、走査される個々の位置、即ち各測定点に対する各構成要素の方向決めが保証される。この実施形態において、画像記録は、各測定点からの画像の計算による再構成を使って実行される。特に、この実施形態のカメラは可動ラインカメラである。
本発明に係る装置では、核酸標的/核酸プローブ複合体の温度依存溶融挙動も更に調査可能である。
電極は、例えば金−チタン電極の形態、特に4極の形態で実装され得る。
温度上昇手段は、好ましくは、毛細管ギャップ内の液体の高速加熱および冷却が可能なように選択されることができる。ここで、高速加熱および冷却は、温度上昇手段により0.2K/sから30K/sの範囲、好ましくは0.3K/sから15K/sの範囲、特に好ましくは0.5K/sから12K/sの範囲、および最も好ましくは2K/sから10K/sの範囲の温度変化を媒介可能であることを表すものと理解される。好ましくは、5K/sから11K/sの温度変化も温度上昇手段により媒介されることができる。
温度センサ、温度上昇手段、ならびに電極の仕様および寸法の詳細については、国際特許出願公開第01/02094号パンフレットの内容を参照する。
更に好ましい実施形態において、反応室は、データマトリックスを介して個別にマークされる。このため、本発明に係る装置の製造の際に、物質ライブラリ、検出反応の実行などに関する情報を含むデータレコードは、データベースに記憶される。したがって、このデータレコードは、特にアレイ上のプローブの配置に関する情報とともに、最も有益な方法で評価をどのように実施するかに関する情報をも含むことができる。データレコードまたはデータマトリクスは、さらに標的分子の増幅のために任意で実行されるPCRの温度−時間方式に関する情報も含むことができる。この方法で蓄積されたデータレコードは、好ましくはデータマトリクスの形態で担体に貼り付けられた番号を備える。データマトリクス内に登録されている番号を用いることにより、蓄積されたデータレコードは、次いで、物質ライブラリの読み出し時に任意でアクセスされることができる。最後に、データマトリクスは、流体容器を介して温度制御および/または調整ユニットおよび例えば反応室の装荷および除荷の制御などのその他のコントローラにより読み出され、したがって、増幅および検出反応の自動実行が保証され得る。
基板または検出領域上のアレイ配置で適切に配置された分子、または基板もしくは検出領域上のアレイ配置で適切に配置された物質ライブラリ、および担体または基板の全体も、マイクロアレイまたはプローブアレイとも呼ばれることが多い。
さらに、マイクロアレイが取り付けられた装置の構成に応じて、同様に使用される検出方法に応じて、基板が光学的に透明であることが好ましい場合がある。
他方、ガラスセラミックのような光学的に透明な材料が使用されることができる。ガラスと結晶相との間の屈折率に関して示す差があまり大きくないガラスセラミックの使用が好ましい。光学的透明材料の一実施例としては、Ceran(登録商標)(ドイツ、ショット(Schott)所在)が挙げられる。リチウム−ケイ酸アルミニウムガラスセラミックも使用可能である。
マイクロアレイの配置については、本発明に係る装置に関する上述の説明を参照する。
マイクロアレイを製造するための本発明に係る方法の更に好ましい実施形態において、基板表面はポリマーリンカーにより被覆され、分子プローブは、ポリマーリンカーを介して基板表面上に固定化される。特に好ましくは、ポリマーリンカーは修飾されたシラン層である。
本発明の他の態様は、基板が本質的にセラミック材料を備え、分子プローブが所定の領域上に固定化されており、且つマイクロアレイを製造するための基板の使用に関する。本発明のこの態様において、セラミック材料は、本発明に係るマイクロアレイの説明の範囲内で上記のように実装されることができる。
以下において、本発明の特に好ましい実施形態について説明する。
この実施例の以下の変更において、反応速度論的に進行する信号増強反応の光学検出は、特に透過、反射、分散、回折、および干渉の特定の光学パラメータの変調を記録することにより実行される。
透過特性の変化の検出は、図1に示されているように透過光配置で実行される。ここで、光源(2.4)は、白色光源、例えばハロゲンランプ、白色LED、または狭帯域光源、例えばLED、レーザーダイオード、有機LEDとして実装される。レンズ、鏡、およびフィルタからなる光学系(2.3)は、検出される基板領域の一様な照射が少なくとも70%の照度均一さで実行されるように実装される。
この実施例において、反射特性の変化の検出は、図4に示されているように入射光配置で実行される。ここで、光学系(2.3)は、検出される基板表面の一様な照射が少なくとも70%の照度均一さで保証されるように実装される。基板表面は、光学系(2.2)を用いて検出器で結像される。検出器は、2次元CCD、CMOSカメラまたは可動ラインカメラである。
この実施例において、分散特性の変化の検出は、図5に示されているように暗視野配置で実行される。レンズ、鏡、およびフィルタからなる光学系(2.3)は、検出される基板表面の一様な照射が少なくとも60%、好ましくは少なくとも70%の照度均一さで実行されるように実装される。基板領域は、光学系(2.2)を用いて検出器上に結像される。検出器は、2次元カメラ(例えばCCD、CMOS)または可動ラインカメラであることができる。
図6は、DNAベースの物質ライブラリ上で特異的に金標識された標的分子のハイブリッド形成後の銀エピタキシ反応の検出のための典型的な画像系列を示す。
この実施例の以下の変更において、反応速度論的に進行する信号増強反応の電気的検出は、特に伝導率、抵抗の変化、および透磁率の特定の電気的パラメータの変調を記録することにより実行される。
各アレイスポットでの抵抗の変化を測定するために、図7に示されているように、電極を介してアレイスポットが電気的に接触されている。局所抵抗の変化は、エピタキシャル成長導体、例えば銀などとの融合によって測定される。検出領域上の3次元構造、例えばバンプ、底部、およびスルーホールは、融合作用とそこから生じる抵抗の変化とを支える。
実施例3:狭い反応室内での核酸の増幅および検出
溶液中の信号を表面上または表面内の信号と比較して低く保持することが可能な方法の1つは、特に狭い反応室を使用することである。プローブおよび標的の特異的な結合により引き起こされるアレイ表面上の標的分子の濃縮は、反応室がそれ相応に狭い設計であれば、容積全体を照射する、および/または撮像する従来の蛍光光学系を用いてもプローブアレイ上で信号を撮像することを容易にする。
8ビットの分解能を有する検出器、例えば落射蛍光顕微鏡(ドイツ、イエナ、ツアイス(Zeiss,Jena))を使用すると、本発明の範囲内で使用されるマイクロアレイが以下の表に示されているような信号発生特性を示すことが分かっている。
本発明に係る装置における増幅は、好ましくはPCRなどの指数関数的増幅手法を用いて実行されることから、試料に含まれる標的の量を定量化してプローブアレイ上の信号増大の連続検出を容易にする必要がある。
2つの異なる希釈液内の大腸菌からのゲノムDNAを、増幅される標的材料として使用した。特定数のサイクル数後、実施例3に記載されている方法で画像を記録した。ソフトウェアIconoclust(登録商標)(イエナ、クロンディアグ(Clondiag))を用いてこれらの画像を分析した。
実施例5:セラミック表面上の有機分子の酵素的析出法を用いたハイブリッド形成および該ハイブリッド形成後の検出
血栓症の発生に対する危険要因として識別されたヒトゲノムの少なくとも6個の遺伝子の突然変異については、文献中に記載されている。
この実施例において、アレイの準備とハイブリッド形成とに使用されたオリゴヌクレオチドは全て、親切にもオーガム ディアグノスティックス社(Ogham Diagnostics)[ドイツ、ミュンスター(Munster)所在]によって提供された。
・ 600mlのH2O バイデスト+60μlのHCL(konz.)で2×2分間
・ 100mMのKCl溶液中で30分間
・ H2O bidest中で1分間のすすぎ
・ 圧縮空気を用いた乾燥
b)ArrayTube(登録商標)(クロンディアグ(Clondiag))によるプローブアレイのハイブリッド形成および接合
6個の異なるオリゴヌクレオチドの混合の形態で、オーガム社(Ogham)によってハイブリッド形成用に提供されたオリゴヌクレオチドを、6×SSPE緩衝液(NaOHでpH7.4に調整された1l H2O バイデスト中52.59g NaCl、8.28g NaH2PO4×H2O、2.22g EDTA×2H2O)/0,005%のトライトン中で、最終濃度100pMおよび最終容積50μlに溶解させた。
ハイブリッド形成を検出するため、100μlのHRP基質溶液(TrueBlue、71−00−64、KPL、米国ゲーサーズバーグ(Gaithersburg)所在、HRP=ホースラディシュペルオキシダーゼ)をプローブアレイに接触させ、プローブアレイをガラスカバーで覆いった後に室温で5分間インキュベートした。その後、ガラスカバーを慎重に取り外し、アレイをバイデストですすぎ、空気を吹き付けて乾燥させた。
記録された画像を、画像評価ソフトウェアIconoClust(登録商標)(クロンディアグ(Clondiag))を用いて評価した。バックグラウンドを調整した結果を図15に示す。使用された6個のオリゴヌクレオチドの全ての特異的なハイブリッド形成を正常に検出することができた。
寸法:12.0mm×12.4mm×0.635mm
支持材:セラミック担体
センサ/ヒーター構造:pt薄膜構造
不動態化:ガラス不動態化処理
接続:Ptペースト、スクリーン印刷
センサ:Pt100、Kl.A;TK=3850ppm/K
ヒーター:125Ω±8Ω
同様に、タイプPt1000、Pt10,000などのセンサが考えられる。
101 上部担体要素
102 下部担体要素
103 キャッチ/スライドを留める凹部
104 窓
105 冷却剤用媒体接続
106 スナップ式留め具
108 ドエルピン穴
403 加熱素子の接点
120 媒体接続側
109 反射防止構造
600 データマトリクス
117 冷却ダクト出口
118 カウンタベアリング
400 集積ヒーター/センサ基板を備えるグラウンド素子
401 集積ヒーター/センサ基板の担体
402 光学的に透明な凹部
403 ヒーター/センサ基板の接点
404 ヒーター/センサ基板の接点
300 密封、弾性、繰り返し穴開け可能な中間要素
301 反応室を定義する300内の閉鎖凹部
302 膨張バンド
304 調整ラグ
200 カバー要素
202 被覆担体要素
201 物質ライブラリまたはチップベアリング物質ライブラリ
500 コアアセンブリ、室、反応室または試料室
105 冷却ダクト
109 スナップ式留め具
110 スナップ式留め具
111 ヒーター/センサ基板の接点の凹部(403)
112 冷却剤入口
116 冷却剤出口
117 冷却剤入口
115 圧入
1000 コネクタ
1100 スライド
1103 案内用キャッチ
1001 ドエルピン穴
1002 取り付け穴
1206 電気ケーブル
1207 電源
1202 充填ホース
1210 半径方向棒
1211 ねじ山
1212 減衰
1204 冷却剤ホース
1205 冷却剤接続
1300 冷却ダクト
1201 中空針を突き刺す
2000 手動充填ステーション
2106 クイック−レリーズコネクタ
2401 使い捨て注射器
2404 中空針
2403 中空針を通気する
2402 中空針の先端
2403 中空針の先端
2100 手動充填ステーションの基本体
2200 手動充填ステーションのカバー
2101 凹型グリップ
2102 凹型グリップ
Claims (11)
- 試料中の核酸の増幅、定性的検出および定量的検出を行う方法であって、
a)室担体とマイクロアレイとの間に形成された反応室内に該試料を配置する工程であって、該マイクロアレイは、核酸プローブがアレイ素子上に固定化された基板を備えることと、
b)循環増幅反応を用いて該反応室内で検出される核酸を増幅する工程と、
c)該検出される核酸が検出可能マーカーで標識され、該基板上に固定化された核酸プローブとハイブリッドを形成しない分子を該反応室から除去することなく、室担体とマイクロアレイとの間の500μm未満の距離で、該検出される核酸と該基板上に固定化された該核酸プローブとの間のハイブリッド形成を検出する工程とを備える方法。 - 前記反応室が前記室担体と前記マイクロアレイとの間の毛細管ギャップであり、毛細管ギャップの厚さが50μm〜100μmの範囲内である請求項1に記載の方法。
- 前記検出が、前記循環増幅反応の実行中および/または前記循環増幅反応の完了後に行われる請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 前記検出される核酸が、蛍光マーカーで標識される請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記蛍光マーカーの検出が、前記反応室の全容積を撮像する蛍光光学系を用いて行われる請求項4に記載の方法。
- 前記試料中で検出される核酸の初期濃度が、検出される前記核酸と検出可能な前記基板上に固定化された核酸プローブとの間にハイブリッドを形成させるために必要な増幅サイクル数との相関関係を用いて決定される請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記試料が、周知の濃度の、前記マイクロアレイの核酸プローブとハイブリッドを形成する核酸を含む請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記検出される核酸の増幅がPCRを用いて行われる請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板がセラミック材料からなる請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板が、酸化アルミニウムセラミックからなる請求項9に記載の方法。
- 装置の使用方法であって、該装置が、
a)温度制御および/または調整ユニットと、
b)室担体とマイクロアレイとの間に形成される反応室とを備え、該マイクロアレイは、核酸プローブがアレイ素子上に固定化された基板を備え、反応室内の温度が、該温度制御および調整ユニットを用いて制御および/または調整されることができ、
前記装置が、PCRの実行、および/またはマイクロアレイベースの検定を行うために、基板上に固定化された核酸プローブとハイブリッドを形成しない分子を反応室から除去することなく、室担体とマイクロアレイとの距離が200μm未満である状態で核酸の検出が行われるように構成される、装置の使用方法。
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