WO2006027088A1 - Verfahren zur erweiterung des dynamischen erfassungsbereichs bei mikroarrays - Google Patents

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Eppendorf Ag
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Definitions

  • the present invention relates to microarrays in which the various
  • Probe molecules are each applied several times and in different concentrations on a support.
  • the present invention relates to an improved method for detecting certain target components in a sample.
  • microarrays have been developed, with the help of a variety of biological targets can be investigated simultaneously.
  • Such microarrays essentially contain a carrier, such as a glass or silicon wafer or a membrane, on which biological components of known composition, such as, for example, nucleic acids or proteins, are present at predetermined locations in a specific arrangement, a so-called array so-called probes (molecules), are applied.
  • the size of these sites is usually about 20 microns so that a carrier can contain a variety of such sites.
  • the microarrays enable a rapid and cost-effective investigation of, for example, gene expression and / or genetic Changes in a sample.
  • probes are nucleic acids
  • suitable nucleotides of known base sequence in a length of about 20 to 2000 bases in a predetermined arrangement on the support are immobilized (spotted).
  • the sample to be examined is brought into contact with the carrier under conditions which permit hybridization of complementary strands.
  • Non-complementary strands that do not undergo hybridization with the probes on the support are removed.
  • the areas on the microarray containing nucleotide duplexes are determined and allow conclusions to be drawn about the sequence in the original sample.
  • proteins as probes.
  • suitable proteins for example peptides or antibodies
  • Biological components bound to the probes are subsequently detected according to conventional methods.
  • Such “screening methods”, in which a multiplicity of different probes are simultaneously contacted with a sample to be examined in a single assay, are also suitable for determining the amount of biological component trapped by the probe in the sample.
  • the assay can usually be performed directly.
  • the sample on the one hand contains a large amount and also a small amount of target components, since the signal generated in the detection method of trapped target molecules is technically not linear to the number of molecules, but sigmoid , If a large amount of target molecules are contained in the sample, the determination can not be made quantitatively due to a saturation effect of the signal upon detection. In this case, the assay must be repeated with less sample material, which in part is difficult or even impossible due to the availability of the sample itself.
  • the signal can not be evaluated because too weak.
  • One way around this is to amplify the target molecules in the sample before contacting with the microarray, for example in a nucleic acid by means of a PCR reaction.
  • the disadvantage here again is that an amplification in the sample can be subject to errors, while a previous purification, for example removal of protein material, can itself introduce errors.
  • Another known possibility in the presence of small amounts of target component (s) is the amplification of the signal itself.
  • both methods of amplification involve the risk of once again reaching a saturation range of the detection during the determination.
  • a microarray which has a multiplicity of probe molecules immobilized on a support in a specific arrangement, one species of a probe molecule being present on the support at least three times and being present in different concentrations for one species of probe molecule.
  • Fig. 1 is a graph showing the signal strength for fluorescence samples as a function of concentration.
  • FIG. 2 schematically shows a microarray with 3 probes which have been applied in different concentrations.
  • Amount of target components can be reliably quantified with an assay.
  • the carrier employed herein may be any of those commercially available and commonly used for the purpose of binding target molecules to probe molecules, including membranes, metal supports, plastic materials, beads or glass.
  • probe molecules for applying probe molecules to the support, it is also possible to use any method known in the prior art which temporarily or permanently effects immobilization, fixation or adhesion of the probe molecule at a site or in a region of the support, for example covalent , ionic, organometallic bonds, bonds based on van der Waals forces, or enzyme-substrate interactions or so-called "affinity bonds”.
  • any spacer molecules for example polymer-based spacers, can be arranged between the support and the probe molecule applied to the support.
  • suitable carriers for carrying out the present invention are those based on self-assembling layer systems.
  • the application can currently also be achieved using automated methods.
  • the probe molecules on the array are usually nucleotides of different sequence, but may also be a binding partner in a system, for example, antigen-antibody.
  • the microarray has the same probe molecules, i. Probe molecules with the same specificity, in an amount of 3 to 10, more preferably 3 to 7, even more preferably 3 to 5, spotted on the support.
  • the concentration differences between the individual probes applied at the respective sites may vary depending on the number of spots containing the same probe, for example by the factor of 1, 10 or 100.
  • the site with the highest concentration should be at least twice that have high concentration, such as the site with the lowest concentration of the same probe molecule.
  • detection methods it is generally possible to use any currently used methods, for example silver, fluorescence or enzymatic reactions, for example horseradish peroxidase.
  • the dynamic range can additionally be extended by using the excitation intensity in a stepped manner. If, for example, it is determined during a measurement that saturation has already been reached or the linear range has been left, then the measuring range can be returned to the linear range by reducing the excitation intensity.
  • the present invention also relates to a method for the quantitative determination of target molecules in a sample, which involves contacting a sample with a sample Microarray having certain probe molecules at predetermined locations under conditions that allow binding of the target molecules to the probe molecules. Each species of a probe molecule is present on the support at least three times at different locations and in different concentrations.
  • the detection of the target molecules bound to the support or their amount can be carried out according to conventional methods, such as dyeing methods with silver or fluorescence dyes or color formation by enzymatic reactions, such as with the aid of horseradish peroxidase.
  • dyeing methods with silver or fluorescence dyes or color formation by enzymatic reactions, such as with the aid of horseradish peroxidase.
  • the dyeing thus obtained is then quantitatively evaluated by commercially available hardware and software products.
  • a DNA microarray was made with three different probes A, B and C. Three spots were generated with each probe. The three spots of each probe differed in concentration. The first spot of probe A was spotted at a defined concentration and set at 100%. For the other spots, the solution containing the probes was diluted such that the original concentration dropped to 70% and 50%, respectively.
  • the microarray thus obtained was hybridized with a solution containing the complementary strands of the applied probes B and C under standard conditions, using the probe C was used 1 1 times the amount.
  • the hybridized molecules were detected by the known method of silver staining.
  • the signals should be proportional to the amount of hybridized DNA.
  • FIG. 2 was obtained, from which it can be seen that the different concentrations of DNA in the spots are considerably expanded in the dynamic range.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Mikroarrays, bei denen die Sonden jeweils mehrmals und in unterschiedlichen Konzentrationen auf einem Träger aufgetragen sind. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren um Nachweis bestimmter Moleküle in einer biologischen Probe, mit dem der dynamische Bereich der Erkennung erweitert wird.

Description

Anmelder: Eppendorf AG
Unser Zeichen: 80486 WO
Verfahren zur Erweiterung des dynamischen Erfassungsbereichs bei Mikroarrays
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikroarrays, bei denen die verschiedenen
Sondenmoleküle jeweils mehrmals und in unterschiedlichen Konzentrationen auf einem Träger aufgetragen sind. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein verbessertes Verfahren zum Nachweis bestimmter Zielkomponenten in einer Probe.
Aufgrund der immer größer werdenden Menge an Daten über biologische Systeme, insbesondere zelluläre Systeme, sehen sich Wissenschaftler vermehrt dem Problem gegen¬ über, mit den jeweils durchzuführenden Untersuchungen möglichst viele der bekannten Parameter, wie beispielsweise die Transkription von Nukleinsäuren oder die Translation in Proteine, zu untersuchen.
Herkömmliche (molekular-)biologische Methoden beinhalteten normalerweise Experimente, bei denen auf eine bestimmte biologische Zielkomponente, abgestellt wurde, wie beispiels¬ weise ein Gen oder die davon abgeleitete mRNA, oder ein Protein, was eine Evaluierung von Abläufen in der Zelle, insbesondere unter Beteiligung mehrerer biologischer Zielkom¬ ponenten nur unter erschwerten Bedingungen erlaubt.
In den letzten Jahren wurden sogenannte Mikroarrays entwickelt, mit deren Hilfe eine Vielzahl biologischer Zielmoleküle gleichzeitig untersucht werden kann. Derartige Mikro- arrays enthalten im Wesentlichen einen Träger, wie ein Glas- oder Silikon-Plättchen oder eine Membran, auf dem auf vorbestimmten Stellen in einer bestimmten Anordnung, einem sogenannten Array, biologische Komponenten bekannter Zusammensetzung, wie beispiels¬ weise Nukleinsäuren oder Proteine, die sogenannten Sonden(moleküle), aufgetragen werden. Die Größe dieser Stellen beträgt normalerweise etwa 20 μm so dass ein Träger eine Vielzahl derartiger Stellen enthalten kann. Die Mikroarrays ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Untersuchung beispielsweise der Genexpression und/oder genetischer Änderungen in einer Probe.
Sind die Sonden Nukleinsäuren, so werden geeignete Nukleotide bekannter Basenabfolge in einer Länge von etwa 20 bis 2000 Basen in einer vorbestimmten Anordnung auf dem Träger immobilisiert (gespottet). Anschließend wird die zu untersuchende Probe mit dem Träger unter Bedingungen in Kontakt gebracht, die eine Hybridisierung komplementärer Stränge er¬ laubt. Nicht-komplementäre Stränge, die keine Hybridisierung mit den Sonden auf dem Träger eingehen, werden entfernt. Die Bereiche auf dem Microarray, welche Nukleotid- Doppelstränge enthalten, werden ermittelt und ermöglichen einen Rückschluss auf die Sequenz in der Ausgangsprobe.
Vergleichbares gilt für Proteine als Sonden. Dazu werden geeignete Proteine, wie beispiels¬ weise Peptide oder Antikörper auf dem Träger immobilisiert (gespottet) und anschließend wird der Träger mit der zu untersuchenden Probe in Kontakt gebracht. Biologische Kompo- nenten, die an die Sonden gebunden haben, werden nachfolgend gemäß herkömmlicher Verfahren detektiert.
Derartige "Screening-Verfahren", bei denen in einem einzigen Ansatz eine Vielzahl von unterschiedlichen Sonden gleichzeitig mit einer zu untersuchenden Probe in Kontakt gebracht werden, sind auch dazu geeignet die Menge der von der Sonde eingefangenen biologischen Komponente in der Probe zu bestimmen.
Sind die Zielkomponenten in der biologischen Probe in einer ausreichenden Menge vorhanden, so kann der Assay in der Regel direkt durchgeführt werden.
Es ergeben sich jedoch bei der Durchführung Probleme, wenn die Probe einerseits eine grosse Menge sowie auch eine kleine Menge an Zielkomponenten enthält, da das Signal, das beim Nachweisverfahren der eingefangenen Zielmoleküle erzeugt wird, technisch bedingt nicht linear zur Anzahl der Moleküle ist, sondern sigmoid. Ist in der Probe eine große Menge an Zielmolekülen enthalten, so kann die Bestimmung aufgrund eines Sättigungseffekts des Signals bei der Detektion nicht quantitativ durchgeführt werden. In diesem Fall muss der Assay mit einem Weniger an Probenmaterial wiederholt werden, was teilweise aufgrund der Verfügbarkeit der Probe selbst schwierig oder sogar unmöglich ist.
Andererseits kann auch dann, wenn die Zielkomponenten in der Probe in einer sehr geringen Konzentration vorliegten, das Signal nicht auswertbar sein, da zu schwach. Eine Möglichkeit dies zu umgehen besteht darin, die Zielmoleküle in der Probe vor Inkontaktbringen mit dem Mikroarray zu amplifizieren, beispielsweise bei einer Nukleinsäure mittels einer PCR- Reaktion. Nachteilig hier wiederum ist, dass eine Amplifϊzierung in der Probe fehlerbehaftet sein kann, während eine vorherige Aufreinigung, beispielsweise Entfernung von Protein¬ material, selbst Fehler einbringen kann. Eine andere bekannte Möglichkeit bei Vorliegen von geringen Mengen an Zielkomponente(n) besteht in der Amplifizierung des Signals selbst.
Beide Vorgehensweisen der Amplifizierung bergen jedoch das Risiko, erneut bei der Bestim¬ mung in einen Sättigungsbereich der Detektierung zu gelangen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin ein verbessertes Mittel zur Verfügung zu stellen, mit dem der Erfassungsbereich von Zielkomponenten bei Verwendung eines Mikroarrays erweitert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Bereitstellung eines Mikroarrays, der eine Vielzahl auf einem Träger in einer bestimmten Anordnung immobiliert vorliegende Sondenmoleküle aufweist, wobei eine Spezies eines Sondenmoleküls mindestens dreifach auf dem Träger vorhanden ist, und für eine Spezies an Sondenmolekül in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen. In den Figuren,
Fig. 1 zeigt einen Graph, der die Signalstärke für Fluoreszenzproben in Abhängigkeit von der Konzentration zeigt.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Mikroarray mit 3 Sonden, die in unterschiedlicher Kon¬ zentration aufgetragen wurden.
Bei den Untersuchungen, die zu der vorliegenden Erfindung gefuhrt haben hat sich gezeigt, dass durch Bereitstellen von mindestens 3 Sonden gleicher Spezifität auf dem Array, die in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen, der dynamische Bereich der Detektion, bei dem eine quantitative Erfassung der Zielkomponenten möglich ist, erweitern kann, so dass auch Proben, die eine große Menge an Zielkomponenten, wie auch Proben, die eine geringe
Menge an Zielkomponenten enthalten, mit einem Assay zuverlässig quantitativ erfasst werden können.
Der hier eingesetzte Träger kann jeder im Handel erhältliche und für den Zweck der Bindung von Zielmolekülen an Sondenmoleküle gebräuchliche Träger sein, einschließlich Membranen, Metallträgern, Kunststoffmaterialien, Kügelchen oder Glas. Zum Aufbringen von Sondenmolekülen auf den Träger kann weiter jedes im Stand der Technik bekannte Ver¬ fahren eingesetzt werden, das zeitweilig oder dauerhaft eine Immobilisierung, ein Fixieren oder ein Anhaften des Sondenmoleküls an einer Stelle oder in einem Bereich des Trägers bewirkt, beispielsweise unter Ausbildung kovalenter, ionischer, metallorganischer Bindungen, von Bindungen auf Basis von van-der-Waals-Kräften oder von Enzym-Substrat- Wechselwirkungen oder von sog. "Affinitäts-Bindungen". Natürlich können zwischen dem Träger und dem auf dem Träger aufgebrachten Sondenmolekül beliebige Spacer-Moleküle, beispielsweise Spacer auf Polymer-Basis, angeordnet werden. Darüber hinaus eignen sich für die Durchführung der vorliegenden Erfindung auch Träger auf der Basis selbst¬ organisierender ("self-assembling") Schicht-Systeme. Das Auftragen kann gegenwärtig auch unter Verwendung automatisierter Verfahren erreicht werden. Die Sondenmoleküle auf dem Array sind gewöhnlich Nukleotide mit unterschiedlicher Sequenz, können jedoch auch ein Bindungspartner in einem System sein, beispielsweise Antigen-Antikörper.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Mikroarray die gleichen Sonden¬ moleküle, d.h. Sondenmoleküle mit gleicher Spezifität, in einer Anzahl von 3 bis 10, mehr bevorzugt 3 bis 7, noch mehr bevorzugt 3 bis 5, gespottet auf dem Träger auf. Die Konzentrationsunterschiede zwischen den einzelnen aufgetragenen Sonden an den jeweiligen Stellen kann je nach der Anzahl der die gleichen Sonden enthaltenden Stellen (Spots) variieren, beispielsweise um den Faktor, 1, 10 oder 100. Vorzugsweise sollte die Stelle mit der höchsten Konzentration mindestens eine doppelt so hohe Konzentration aufweisen, wie die Stelle mit der geringsten Konzentration an dem gleichen Sondenmolekül. So kann beispielsweise im Fall der Verwendung von 10 Sondenmolekülen gleicher Spezifität (d.h. 10 Spots auf die die gleichen Sondenmoleküle immobilisiert wurden) auf dem Array, auf dem sich Sondenmoleküle gleicher Spezifität befinden, ein Konzentrationsgefälle von jeweils 10 % vorliegen, wobei die Stelle mit der höchsten Konzentration als 100 % gesetzt wird. Bei dem aufgrund räumlicher Anordnung auf dem Array bevorzugten Einsatz von drei Stellen der gleichen Sondenmolekülen ist ein Konzentrationsgefälle von 100%, 75 % und 50 %.
Als Nachweisverfahren können im Allgemeinen jede gegenwärtig gebräuchliche Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise Färbeverfahren mit Silber, Fluoreszenz oder enzymatischer Reaktionen, beispielsweise mit Meerrettich-Peroxidase.
Bei dem Einsatz von Fluoreszenzfarbstoffen kann der dynamische Bereich zusätzlich noch dadurch erweitert werden, dass die Anregungsintensität abgestuft eingesetzt wird. Wird beispielsweise bei einer Messung festgestellt, dass bereits eine Sättigung erreicht ist, bzw. der lineare Bereich verlassen wurde, dann kann durch Reduktion der Anregungsintensität der Messbereich wieder in den linearen Bereich zurückgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Zielmolekülen in einer Probe, welches beinhaltet, Inkontaktbringen einer Probe mit einem Mikroarray, der auf vorbestimmten Stellen bestimmte Sondenmoleküle aufweist unter Bedingungen, dass eine Bindung der Zielmoleküle an die Sondenmoleküle ermöglicht wird. Jede Spezies eines Sondenmoleküls ist auf dem Träger mindestens drei mal an unterschiedlichen Stellen vorhanden und in unterschiedlichen Konzentrationen.
Der Nachweis der an den Träger gebundenen Zielmoleküle bzw. deren Menge kann gemäß herkömmlicher Verfahren erfolgen, wie Färbeverfahren mit Silber oder Fluoreszenz¬ farbstoffen oder Farbbildung durch enzymatische Reaktionen, wie unter Zuhilfenahme von Meerrettich-Peroxidase. Die so erhaltene Färbung wird dann durch im Handel erhältliche Hard- und Software-Produkte quantitativ ausgewertet.
Beispiel
Ein DNA-Mikroarray wurde mit drei verschiedenen Sonden A, B und C hergestellt. Mit jeder Sonde wurden jeweils drei Spots erzeugt. Die drei Spots jeder Sonde unterschieden sich in der Konzentration. Der erste Spot der Sonde A wurde mit einer definierten Konzentration gespottet, und als 100 % festgelegt. Für die weiteren Spots wurde die die Sonden enthaltende Lösung derart verdünnt, dass die ursprüngliche Konzentration auf 70 % bzw. 50 % absank.
Für die Sonden B und C wurde analog verfahren.
Somit werden im Beispiel 9 Spots erhalten:
Figure imgf000007_0001
Der so erhaltene Mikroarray wurde mit einer Lösung, die die komplementären Stränge der aufgebrachten Sonden B und C enthielt unter Standardbedingungen hybridisiert, wobei für die Sonde C die 11A fache Menge eingesetzt wurde.
Die hybridisierten Moleküle wurden mit dem bekannten Verfahren der Silberfarbung nachgewiesen. Die Signale sollten proportional zur Menge an hybridisierter DNA sein. Das in Fig. 2 dargestellte Ergebnis wurde dabei erhalten, woraus ersichtlich ist, dass die unterschiedlichen Konzentrationen an DNA in den Spots den dynamischen Bereich erheblich erweitert werden.

Claims

Ansprüche
1. Mikroarray, enthaltend einen Träger; und darauf in einer bestimmten Anordnung aufgebracht mehrere für bestimmte Zielmoleküle spezifische Sondenmoleküle, wobei jedes für ein bestimmtes Zielmolekül spezifische Sondenmolekül auf dem Träger mindestens dreimal an unterschiedlichen Stellen der Anordnung aufgebracht ist und in unterschiedlichen Konzentrationen.
2. Mikroarray nach Anspruch 1, wobei die für bestimmte Zielmoleküle spezifischen Sondenmoleküle auf dem Träger in einer Anzahl im Bereich von jeweils 3- bis 7-mal, vorzugsweise 3- bis 5-mal aufgebracht sind.
3. Mikroarray nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Konzentration der jeweils gleichen Sondenmoleküle an den verschiedenen Stellen auf dem Träger um den Faktor im Bereich von 1 bis 100, vorzugsweise 1 bis 10 unterscheidet.
4. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Sondenmolekül auf dem Träger drei mal vorhanden ist und die Konzentrationen der aufgebrachten Sondenmoleküle 100 %, 75 %, 50% ist, jeweils bezogen auf die höchste Konzentration.
5. Verwendung eines Mikroarray s nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur quantitativen Bestimmung einer Zielkomponente in einer Probe.
6. Verwendung nach Anspruch 5, wobei die Probe eine biologische Probe ist.
7. Verfahren zur quantitativen Bestimmung einer Zielkomponente in einer Probe, welches umfasst,
Inkontaktbringen einer Probe mit einem Mikroarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und Bestimmen der Bindung einer Zielkomponente an einer Stelle auf dem Array.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Bestimmung der Komponente erfolgt durch Silberfarbung, Fluoreszenz oder enzymatischer Färbung.
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